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JP2005136152A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Publication number
JP2005136152A
JP2005136152A JP2003370319A JP2003370319A JP2005136152A JP 2005136152 A JP2005136152 A JP 2005136152A JP 2003370319 A JP2003370319 A JP 2003370319A JP 2003370319 A JP2003370319 A JP 2003370319A JP 2005136152 A JP2005136152 A JP 2005136152A
Authority
JP
Japan
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insulating film
wiring
film
forming
semiconductor device
Prior art date
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Pending
Application number
JP2003370319A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Junji Noguchi
純司 野口
Shoichi Uno
正一 宇野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renesas Technology Corp
Original Assignee
Renesas Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renesas Technology Corp filed Critical Renesas Technology Corp
Priority to JP2003370319A priority Critical patent/JP2005136152A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a structure having an air gap in a space area of Cu wiring at a high yield. <P>SOLUTION: When insulting films 33 and 32 above a first layer wiring 26 wherein an air gap 28 is formed in a space area are etched to form a wiring groove 38, an alumina mask 34 whose selection ratio is large relative to the insulating films 33 and 32 is used to dry-etch the insulating films 32 and 33 and form the wiring groove 38 with high accuracy. The insulating film 33 is formed of a nitride silicon film, a silicon carbide film or a silicon carbonitride film, and the insulating film 32 is made of such a material that can be etched by ammonia plasma treatment or N<SB>2</SB>/H<SB>2</SB>plasma treatment. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、銅(Cu)を主成分とする導体膜で構成された配線を有する半導体装置の製造に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a manufacturing technique of a semiconductor device, and more particularly to a technique effective when applied to the manufacture of a semiconductor device having a wiring composed of a conductor film containing copper (Cu) as a main component.

高速、高性能のLSIを実現するための技術として、層間絶縁膜の低誘電率化とダマシン(Damascene)法を用いたCu配線の採用が必須になりつつある。特に、層間絶縁膜の低誘電率化は、配線間容量を下げることが出来るのみならず、LSIの消費電力を下げることも出来るため、非常に重要な技術である。   As a technique for realizing a high-speed and high-performance LSI, it is becoming essential to reduce the dielectric constant of an interlayer insulating film and to use Cu wiring using a damascene method. In particular, lowering the dielectric constant of an interlayer insulating film is a very important technique because not only can the capacitance between wirings be reduced, but also the power consumption of an LSI can be reduced.

Low−K膜などとも呼ばれる低誘電率絶縁膜は、現在、多くのものが市販されているが、最近では膜中に多数の微細な空孔を形成して誘電率をさらに低くしたポーラス(porous)Low−K膜も開発されている。また、配線上に絶縁膜を堆積する際、あらかじめ配線の断面形状を逆テーパ状に形成し、隣接配線間に絶縁膜が堆積されない空隙(誘電定数=約1.0)を形成することによって、絶縁膜の誘電率を隣接配線間領域で実効的に低くする技術も開発されている(特許文献1)。   Many low dielectric constant insulating films, also called Low-K films, are currently on the market, but recently, porous (porous) in which a large number of fine pores are formed in the film to further lower the dielectric constant. ) Low-K films have also been developed. In addition, when depositing the insulating film on the wiring, the cross-sectional shape of the wiring is formed in a reverse taper shape in advance, and by forming a void (dielectric constant = about 1.0) between the adjacent wirings where the insulating film is not deposited, A technique for effectively reducing the dielectric constant of an insulating film in a region between adjacent wirings has also been developed (Patent Document 1).

米国特許第6159845号公報(特許文献2)は、基板上の低誘電率絶縁膜に形成した配線溝の内部にダマシン法でCu配線を形成した後、隣接Cu配線間の低誘電率絶縁膜を除去してCu配線を露出させ、続いて露出したCu配線の上面と側面を窒化シリコンや炭化シリコンなどのバリア絶縁膜で保護した後、バリア絶縁膜の上部にステップカバレージ(段差被覆性)の低い低誘電率絶縁膜を堆積することによって、隣接Cu配線間に絶縁膜が堆積されない空隙(エアギャップ)を形成する技術を開示している。   In US Pat. No. 6,159,845 (Patent Document 2), Cu wiring is formed in a wiring groove formed in a low dielectric constant insulating film on a substrate by a damascene method, and then a low dielectric constant insulating film between adjacent Cu wirings is formed. After removing the Cu wiring and exposing the upper and side surfaces of the exposed Cu wiring with a barrier insulating film such as silicon nitride or silicon carbide, the step coverage (step coverage) is low on the barrier insulating film. A technique for forming a void (air gap) in which an insulating film is not deposited between adjacent Cu wirings by depositing a low dielectric constant insulating film is disclosed.

米国特許第6214719号公報(特許文献3)および同第6406992号公報(特許文献4)は、基板上に第1の絶縁膜により配線パターンを形成した後、第1絶縁膜間に第2絶縁膜によりエアギャップを形成し、その後第1絶縁膜を除去して除去した空間に配線を埋め込むエアギャップ配線に関する技術を開示している。   In US Pat. Nos. 6,214,719 (Patent Document 3) and 6,406,992 (Patent Document 4), a wiring pattern is formed with a first insulating film on a substrate, and then a second insulating film is formed between the first insulating films. Discloses a technique related to an air gap wiring in which an air gap is formed and then the first insulating film is removed to embed the wiring in the removed space.

米国特許第6403461号公報(特許文献5)は、基板上の絶縁膜に配線パターンを形成した後、絶縁膜に配線導体を埋め込んで、その後絶縁膜を除去して、配線パターンを独立させたのち、再度絶縁膜を堆積する時に隣接する配線間にエアギャップができるようにして絶縁膜を埋め込むエアギャップ配線に関する技術を開示している。   In US Pat. No. 6,403,461 (Patent Document 5), after a wiring pattern is formed on an insulating film on a substrate, a wiring conductor is embedded in the insulating film, and then the insulating film is removed to make the wiring pattern independent. A technique relating to an air gap wiring in which an insulating film is embedded so that an air gap is formed between adjacent wirings when an insulating film is deposited again is disclosed.

絶縁膜に埋め込まれた配線の上面に選択的にタングステン等をメッキまたはCVD等を付着させて配線のメタルキャップを形成する技術が公開されている(特許文献6、7)。
特開2001−85519号公報 米国特許第6159845号公報 米国特許第6214719号公報 米国特許第6406992号公報 米国特許第6403461号公報 特開平11−16906号公報 特開2003−179000号公報
A technique for forming a metal cap of wiring by selectively depositing tungsten or the like on the upper surface of the wiring embedded in the insulating film or CVD is disclosed (Patent Documents 6 and 7).
JP 2001-85519 A US Pat. No. 6,159,845 US Pat. No. 6,214,719 US Pat. No. 6,406,992 US Pat. No. 6,403,461 Japanese Patent Laid-Open No. 11-16906 JP 2003-179000 A

上記したように、低誘電率絶縁膜(Low−K膜)は、配線間容量の低減やLSIの低消費電力化を推進するために不可欠の絶縁膜であり、年々、さらなる低誘電率化が進められている。しかし、これまでに市販されている各種低誘電率絶縁膜は、従来から用いられている絶縁膜材料、例えばCVD法で堆積した酸化シリコン膜などに比べて絶縁耐圧が低いことから、Cu配線間のTDDB(Time Dependence on Dielectric Breakdown)寿命が劣化するという問題がある。しかも、この問題は、誘電率が低い絶縁膜ほど顕著に表れる。また、膜中に多数の微細な空孔を有するポーラスLow−K膜においては、絶縁膜に配線溝などを形成するエッチング工程で各種ガスなどが空孔内に残留し、これが原因で膜のリークレベルが高くなるという特有の問題も指摘されている。   As described above, the low dielectric constant insulating film (Low-K film) is an insulative film indispensable for reducing the capacitance between wirings and lowering the power consumption of LSIs. It is being advanced. However, various low dielectric constant insulating films that have been marketed so far have a lower withstand voltage than conventional insulating film materials such as silicon oxide films deposited by the CVD method. There is a problem that the lifetime of TDDB (Time Dependence on Dielectric Breakdown) deteriorates. Moreover, this problem becomes more prominent as the insulating film has a lower dielectric constant. In addition, in a porous Low-K film having a large number of fine vacancies in the film, various gases remain in the vacancies during the etching process for forming a wiring groove in the insulating film, which causes film leakage. There is also a specific problem of higher levels.

なお、TDDB寿命とは、絶縁破壊の時間的依存性を客観的に計る尺度であって、所定の温度(例えば140℃)の測定条件下で電極間に比較的高い電圧を加え、電圧印加から絶縁破壊までの時間を印加電界に対してプロットしたグラフを作成し、このグラフから実際の使用電界強度(例えば0.2MV/cm)に外挿して求めた時間(寿命)をいう。   The TDDB life is a measure for objectively measuring the time dependence of dielectric breakdown, and a relatively high voltage is applied between electrodes under a measurement condition of a predetermined temperature (for example, 140 ° C.). A time (life) obtained by creating a graph in which the time until dielectric breakdown is plotted against the applied electric field and extrapolating from this graph to the actual electric field strength (for example, 0.2 MV / cm).

本発明者らは、先にCu配線間TDDB寿命について詳細な検討を行い、その劣化のメカニズムを解明した(特願2002−361363号)。その概要を簡単に説明すると、絶縁膜に形成した配線溝の内部にダマシン法でCu配線を形成した場合、Cu配線の表面には、化学的機械研磨後の表面プロセスによってCuO(酸化銅)が形成されたり、Cu配線を覆うキャップ絶縁膜の形成時にCuシリサイドが形成されたりする。このようなCuOあるいはCuシリサイドは、純粋なCuと比較してイオン化され易いため、配線間の電界によってドリフトされ、絶縁膜中に拡散される。また、Cu配線が形成された絶縁膜の表面は、化学的機械研磨の影響で不連続面となっており、キャップ絶縁膜との密着性が充分でない。そのため、Cu配線間の絶縁膜とキャップ絶縁膜との界面に上記Cuイオンのリークパスが形成される。このリークパスを流れるリーク電流は、その後、電流による熱ストレスも加わって加速度的に増加し、絶縁破壊を引き起こす。従って、低誘電率絶縁膜のCu配線間TDDB寿命を劣化させないためには、Cu配線間に上記のようなリークパスが形成されない構造を採用する必要がある。   The present inventors previously made a detailed study on the TDDB life between Cu wirings and elucidated the deterioration mechanism (Japanese Patent Application No. 2002-361363). Briefly, when Cu wiring is formed by damascene method inside a wiring groove formed in an insulating film, CuO (copper oxide) is formed on the surface of the Cu wiring by a surface process after chemical mechanical polishing. Cu silicide is formed during the formation of the cap insulating film covering the Cu wiring. Such CuO or Cu silicide is easily ionized as compared with pure Cu, and thus is drifted by the electric field between the wirings and diffused into the insulating film. Further, the surface of the insulating film on which the Cu wiring is formed is a discontinuous surface due to the influence of chemical mechanical polishing, and the adhesion with the cap insulating film is not sufficient. Therefore, the leakage path of the Cu ions is formed at the interface between the insulating film between the Cu wirings and the cap insulating film. The leakage current flowing through this leakage path is then accelerated by the addition of thermal stress due to the current, causing dielectric breakdown. Therefore, in order not to deteriorate the TDDB life between Cu wirings of the low dielectric constant insulating film, it is necessary to adopt a structure in which the above-described leakage path is not formed between the Cu wirings.

隣接Cu配線間に絶縁膜が堆積されない空隙(エアギャップ)を形成する構造は、Cu配線間に上記のようなリークパスが形成されないので、低誘電率絶縁膜を使用した場合においても、TDDB寿命の劣化を回避することができる。また、ポーラスLow−K膜を使用しなくとも、隣接配線間領域における絶縁膜の誘電率を実効的に低くすることができるので、上述したポーラスLow−K膜特有の問題も回避することができる。   In the structure in which a gap (air gap) in which an insulating film is not deposited between adjacent Cu wirings is formed, the leakage path as described above is not formed between Cu wirings. Therefore, even when a low dielectric constant insulating film is used, the TDDB life is reduced. Degradation can be avoided. Further, since the dielectric constant of the insulating film in the region between adjacent wirings can be effectively lowered without using the porous Low-K film, the above-mentioned problems specific to the porous Low-K film can also be avoided. .

本発明の目的は、Cu配線のスペース領域に空隙(エアギャップ)を有する構造を歩留まりよく形成することのできる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of forming a structure having a void (air gap) in a space region of a Cu wiring with a high yield.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本発明による半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。
(a)半導体基板上の第1絶縁膜に複数の第1配線溝を形成する工程、
(b)前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部を含む前記第1絶縁膜上に銅を主成分とする第1導電膜を形成する工程、
(c)前記複数の第1配線溝の外部の前記第1導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部に前記第1導電膜からなる第1配線を形成する工程、
(d)前記(c)工程の後、前記第1絶縁膜を除去することによりそれぞれ前記半導体基板上に分離された前記第1配線を形成する工程、
(e)前記(d)工程の後、前記第1配線の上部および側部に、前記第1配線中に含まれる銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第2絶縁膜を、前記第2絶縁膜によって前記第1配線のスペース領域が充填されないような膜厚で形成する工程、
(f)前記第2絶縁膜の上部に、第3絶縁膜と前記第3絶縁膜よりも上層の第4絶縁膜とを含む第1層間絶縁膜を形成する工程、
(g)前記(e)工程または前記(f)工程で、前記第1配線のスペース領域に空隙を形成する工程、
(h)前記第1配線の上部の前記第3絶縁膜と前記第4絶縁膜とを貫通するビアホールを形成する工程、
(i)前記(h)工程の前または後に、前記第4絶縁膜の上部に形成したアルミナ膜をマスクにして、前記ビアホール形成領域を含む領域の前記第4絶縁膜をエッチングすることにより、前記4絶縁膜に複数の第2配線溝を形成する工程、
(j)前記アルミナ膜を除去した後、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部を含む前記第4絶縁膜上に銅を主成分とする第2導電膜を形成する工程、
(k)前記複数の第2配線溝の外部の前記第2導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部に前記第2導電膜からなる第2配線を形成する工程。
A manufacturing method of a semiconductor device according to the present invention includes the following steps.
(A) forming a plurality of first wiring grooves in the first insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first conductive film mainly composed of copper on the first insulating film including the inside of each of the plurality of first wiring grooves;
(C) removing the first conductive film outside the plurality of first wiring grooves by a chemical mechanical polishing method, thereby forming a first conductive film formed of the first conductive film inside each of the plurality of first wiring grooves. Forming one wiring;
(D) After the step (c), forming the first wirings separated on the semiconductor substrate by removing the first insulating film,
(E) After the step (d), a second insulating film having a function of suppressing or preventing diffusion of copper contained in the first wiring is formed on the upper and side portions of the first wiring. Forming with a film thickness such that the space region of the first wiring is not filled with an insulating film;
(F) forming a first interlayer insulating film including a third insulating film and a fourth insulating film above the third insulating film on the second insulating film;
(G) forming a void in the space region of the first wiring in the step (e) or the step (f);
(H) forming a via hole penetrating the third insulating film and the fourth insulating film above the first wiring;
(I) Before or after the step (h), using the alumina film formed on the fourth insulating film as a mask, etching the fourth insulating film in a region including the via hole forming region, thereby 4 forming a plurality of second wiring grooves in the insulating film;
(J) after removing the alumina film, forming a second conductive film containing copper as a main component on the fourth insulating film including the insides of the plurality of second wiring grooves and the via holes;
(K) The second conductive film outside the plurality of second wiring grooves is removed by a chemical mechanical polishing method, so that the second conductive film is formed inside each of the plurality of second wiring grooves and the via holes. Forming a second wiring comprising:

本発明による半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。
(a)半導体基板上の第1絶縁膜に複数の第1配線溝を形成する工程、
(b)前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部を含む前記第1絶縁膜上に銅を主成分とする第1導電膜を形成する工程、
(c)前記複数の第1配線溝の外部の前記第1導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部に前記第1導電膜からなる第1配線を形成する工程、
(d)前記(a)工程と前記(b)との間、または前記(c)工程の後、前記第1配線と後の工程で形成される第2配線とを接続するビアホールの下部領域およびその周辺領域の前記第1絶縁膜にエネルギービームを照射することによって、前記エネルギービームが照射された領域の前記第1絶縁膜を変質させる工程、
(e)前記(d)工程の後、前記エネルギービームが照射された領域以外の領域の前記第1絶縁膜を除去し、前記変質させた第1絶縁膜を残す工程、
(f)前記(e)工程の後、前記第1配線の上部および側部に、前記第1配線中に含まれる銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第2絶縁膜を、前記第2絶縁膜によって前記第1配線のスペース領域が充填されないような膜厚で形成する工程、
(g)前記第2絶縁膜の上部に、第3絶縁膜と前記第3絶縁膜よりも上層の第4絶縁膜とを含む第1層間絶縁膜を形成する工程、
(h)前記(f)工程または前記(g)工程で、前記第1配線のスペース領域に空隙を形成する工程、
(i)前記第1配線の上部の前記第3絶縁膜と前記第4絶縁膜とを貫通する前記ビアホールを形成する工程、
(j)前記(i)工程の前または後に、前記第4絶縁膜の上部に形成したアルミナ膜をマスクにして、前記ビアホール形成領域を含む領域の前記第4絶縁膜をエッチングすることにより、前記4絶縁膜に複数の第2配線溝を形成する工程、
(k)前記アルミナ膜を除去した後、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部を含む前記第4絶縁膜上に銅を主成分とする第2導電膜を形成する工程、
(l)前記複数の第2配線溝の外部の前記第2導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部に前記第2導電膜からなる第2配線を形成する工程。
A manufacturing method of a semiconductor device according to the present invention includes the following steps.
(A) forming a plurality of first wiring grooves in the first insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first conductive film mainly composed of copper on the first insulating film including the inside of each of the plurality of first wiring grooves;
(C) removing the first conductive film outside the plurality of first wiring grooves by a chemical mechanical polishing method, thereby forming a first conductive film formed of the first conductive film inside each of the plurality of first wiring grooves. Forming one wiring;
(D) Between the step (a) and the step (b), or after the step (c), a lower region of a via hole that connects the first wiring and the second wiring formed in the subsequent step; Irradiating the first insulating film in the peripheral region with an energy beam to alter the first insulating film in the region irradiated with the energy beam;
(E) After the step (d), removing the first insulating film in a region other than the region irradiated with the energy beam, and leaving the altered first insulating film;
(F) After the step (e), a second insulating film having a function of suppressing or preventing diffusion of copper contained in the first wiring is formed on the upper and side portions of the first wiring. Forming with a film thickness such that the space region of the first wiring is not filled with an insulating film;
(G) forming a first interlayer insulating film including a third insulating film and a fourth insulating film above the third insulating film on the second insulating film;
(H) forming a void in the space region of the first wiring in the step (f) or the step (g);
(I) forming the via hole penetrating the third insulating film and the fourth insulating film above the first wiring;
(J) Before or after the step (i), using the alumina film formed on the fourth insulating film as a mask, etching the fourth insulating film in a region including the via hole forming region, thereby 4 forming a plurality of second wiring grooves in the insulating film;
(K) After removing the alumina film, forming a second conductive film mainly composed of copper on the fourth insulating film including each of the plurality of second wiring grooves and the via holes;
(L) The second conductive film outside the plurality of second wiring grooves is removed by a chemical mechanical polishing method, whereby the second conductive film is formed inside each of the plurality of second wiring grooves and the via holes. Forming a second wiring comprising:

本発明による半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。
(a)半導体基板上の第1絶縁膜に複数の第1配線溝を形成する工程、
(b)前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部を含む前記第1絶縁膜上に銅を主成分とする第1導電膜を形成する工程、
(c)前記複数の第1配線溝の外部の前記第1導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部に前記第1導電膜からなる第1配線を形成する工程、
(d)前記(c)工程の後、前記第1絶縁膜を除去する工程、
(e)前記(d)工程の後、前記第1配線の上面および側部に、前記第1配線中に含まれる銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第2導電膜を形成する工程、
(f)前記第1配線の上部に第3絶縁膜と前記第3絶縁膜よりも上層の第4絶縁膜とを含む第1層間絶縁膜を形成し、前記第1配線のスペース領域に空隙を形成する工程、
(g)前記第1配線の上部の前記第3絶縁膜と前記第4絶縁膜とを貫通するビアホールを形成する工程、
(h)前記(g)工程の前または後に、前記第4絶縁膜の上部に形成したアルミナ膜をマスクにして、前記ビアホール形成領域を含む領域の前記第4絶縁膜をエッチングすることにより、前記4絶縁膜に複数の第2配線溝を形成する工程、
(i)前記アルミナ膜を除去した後、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部を含む前記第4絶縁膜上に銅を主成分とする第2導電膜を形成する工程、
(j)前記複数の第2配線溝の外部の前記第2導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部に前記第2導電膜からなる第2配線を形成する工程。
A manufacturing method of a semiconductor device according to the present invention includes the following steps.
(A) forming a plurality of first wiring grooves in the first insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first conductive film mainly composed of copper on the first insulating film including the inside of each of the plurality of first wiring grooves;
(C) removing the first conductive film outside the plurality of first wiring grooves by a chemical mechanical polishing method, thereby forming a first conductive film formed of the first conductive film inside each of the plurality of first wiring grooves. Forming one wiring;
(D) a step of removing the first insulating film after the step (c);
(E) After the step (d), forming a second conductive film having a function of suppressing or preventing diffusion of copper contained in the first wiring on the upper surface and the side portion of the first wiring;
(F) forming a first interlayer insulating film including a third insulating film and a fourth insulating film above the third insulating film on the first wiring, and forming a void in a space region of the first wiring; Forming step,
(G) forming a via hole penetrating the third insulating film and the fourth insulating film above the first wiring;
(H) Before or after the step (g), using the alumina film formed on the fourth insulating film as a mask, etching the fourth insulating film in a region including the via hole forming region, thereby 4 forming a plurality of second wiring grooves in the insulating film;
(I) after removing the alumina film, forming a second conductive film containing copper as a main component on the fourth insulating film including each of the plurality of second wiring grooves and the via holes;
(J) The second conductive film outside the plurality of second wiring grooves is removed by a chemical mechanical polishing method, whereby the second conductive film is formed inside each of the plurality of second wiring grooves and the via holes. Forming a second wiring comprising:

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

Cu配線のスペース領域に空隙(エアギャップ)を有する構造を歩留まりよく形成することができるので、LSIの高速化、低消費電力化を推進することができる。   Since a structure having a void (air gap) in the space region of the Cu wiring can be formed with a high yield, it is possible to promote an increase in speed and power consumption of the LSI.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

また、以下の実施の形態においては、CVD法で堆積した酸化シリコン膜(たとえばTEOS(Tetraethoxysilane)酸化膜)の比誘電率(ε=4.1〜4.2程度)よりも低い比誘電率を有する絶縁膜を便宜上、低誘電率絶縁膜またはLow−K膜などという。   In the following embodiments, a relative dielectric constant lower than that of a silicon oxide film (for example, TEOS (Tetraethoxysilane) oxide film) deposited by the CVD method is lower than that of ε = about 4.1 to 4.2. For convenience, the insulating film having a low dielectric constant is referred to as a low dielectric constant insulating film or a Low-K film.

有機ポリマー系の低誘電率絶縁材料としては、SiLK(米国The Dow Chemical Co製、比誘電率=2.7、耐熱温度=490℃以上、絶縁破壊耐圧=4.0〜5.0MV/Vm)や、ポリアリルエーテル(PAE)系材料であるFLARE(米国Honeywell Electronic Materials製、比誘電率=2.8、耐熱温度=400℃以上)などがある。PAE系材料は、基本性能が高く、機械的強度、熱的安定性および低コスト性に優れるという特徴を有している。   As an organic polymer-based low dielectric constant insulating material, SiLK (manufactured by The Dow Chemical Co., USA, relative dielectric constant = 2.7, heat-resistant temperature = 490 ° C. or higher, dielectric breakdown voltage = 4.0-5.0 MV / Vm) And FLARE (manufactured by Honeywell Electronic Materials, USA, relative permittivity = 2.8, heat-resistant temperature = 400 ° C. or higher), which is a polyallyl ether (PAE) material. The PAE-based material is characterized by high basic performance and excellent mechanical strength, thermal stability and low cost.

有機シリカガラス系の低誘電率絶縁材料としては、HSG−R7(日立化成工業製、比誘電率=2.8、耐熱温度=650℃)、Black Diamond(米国Applied Materials,Inc製、比誘電率=3.0〜2.4、耐熱温度=450℃)や、p−MTES(日立開発製、比誘電率=3.2)などのSiOC系材料がある。SiOC系材料には、上記の他、CORAL(米国Novellus Systems,Inc製、比誘電率=2.7〜2.4、耐熱温度=500℃)や、Aurora2.7(日本エー・エス・エム製、比誘電率=2.7、耐熱温度=450℃)などがある。   As an organic silica glass-based low dielectric constant insulating material, HSG-R7 (manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd., relative dielectric constant = 2.8, heat-resistant temperature = 650 ° C.), Black Diamond (manufactured by Applied Materials, Inc., USA, relative dielectric constant) = 3.0-2.4, heat-resistant temperature = 450 ° C.) and p-MTES (manufactured by Hitachi Development Co., Ltd., relative dielectric constant = 3.2). In addition to the above, the SiOC materials include CORAL (manufactured by Novellus Systems, Inc., USA, relative permittivity = 2.7 to 2.4, heat-resistant temperature = 500 ° C.), Aurora 2.7 (manufactured by Nippon ASM Co., Ltd.) , Relative dielectric constant = 2.7, heat-resistant temperature = 450 ° C.).

その他の低誘電率絶縁材料としては、SiOF系材料、HSQ(hydrogen silsesquioxane)系材料、MSQ(methyl silsesquioxane)系材料、ポーラスHSQ系材料、ポーラスMSQ材料、ポーラス有機系材料がある。このうち、HSQ系材料には、OCD T−12(東京応化工業製、比誘電率=3.4〜2.9、耐熱温度=450℃)、FOx(米国Dow Corning Corp.製、比誘電率=2.9)や、OCL T−32(東京応化工業製、比誘電率=2.5、耐熱温度=450℃)などがある。MSQ系材料には、OCD T−9(東京応化工業製、比誘電率=2.7、耐熱温度=600℃)、LKD−T200(JSR製、比誘電率=2.7〜2.5、耐熱温度=450℃)、HOSP(米国Honeywell Electronic Materials製、比誘電率=2.5、耐熱温度=550℃)、HSG−RZ25(日立化成工業製、比誘電率=2.5、耐熱温度=650℃)、OCL T−31(東京応化工業製、比誘電率=2.3、耐熱温度=500℃)、LKD−T400(JSR製、比誘電率=2.2〜2、耐熱温度=450℃)などがある。ポーラスHSQ系材料には、XLK(米国Dow Corning Corp.製、比誘電率=2.5〜2)、OCL T−72(東京応化工業製、比誘電率=2.2〜1.9、耐熱温度=450℃)、Nanoglass(米国Honeywell Electronic Materials製、比誘電率=2.2〜1.8、耐熱温度=500℃以上)、MesoELK(米国Air Productsand Chemicals,Inc、比誘電率=2以下)がある。ポーラスMSQ系材料には、HSG−6211X(日立化成工業製、比誘電率=2.4、耐熱温度=650℃)、ALCAP−S(旭化成工業製、比誘電率=2.3〜1.8、耐熱温度=450℃)、OCL T−77(東京応化工業製、比誘電率=2.2〜1.9、耐熱温度=600℃)、HSG−6210X(日立化成工業製、比誘電率=2.1、耐熱温度=650℃)、silica aerogel(神戸製鋼所製、比誘電率1.4〜1.1)などがある。ポーラス有機系材料には、PolyELK(米国Air Productsand Chemicals,Inc、比誘電率=2以下、耐熱温度=490℃)などがある。   Other low dielectric constant insulating materials include SiOF materials, HSQ (hydrogen silsesquioxane) materials, MSQ (methyl silsesquioxane) materials, porous HSQ materials, porous MSQ materials, and porous organic materials. Among these, HSQ-based materials include OCD T-12 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., relative dielectric constant = 3.4 to 2.9, heat-resistant temperature = 450 ° C.), FOx (manufactured by Dow Corning Corp., USA, relative dielectric constant). = 2.9) and OCL T-32 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., relative permittivity = 2.5, heat-resistant temperature = 450 ° C.). MSQ-based materials include OCD T-9 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., relative dielectric constant = 2.7, heat-resistant temperature = 600 ° C.), LKD-T200 (manufactured by JSR, relative dielectric constant = 2.7-2.5, Heat-resistant temperature = 450 ° C.), HOSP (manufactured by Honeywell Electronic Materials, USA, relative dielectric constant = 2.5, heat-resistant temperature = 550 ° C.), HSG-RZ25 (manufactured by Hitachi Chemical, relative dielectric constant = 2.5, heat-resistant temperature = 650 ° C.), OCL T-31 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., relative permittivity = 2.3, heat-resistant temperature = 500 ° C.), LKD-T400 (manufactured by JSR, relative permittivity = 2.2-2, heat-resistant temperature = 450) ° C). Porous HSQ materials include XLK (manufactured by Dow Corning Corp., USA, relative permittivity = 2.5-2), OCL T-72 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., relative permittivity = 2.2-1.9, heat resistance). Temperature = 450 ° C.), Nanoglass (manufactured by Honeywell Electronic Materials, USA, relative dielectric constant = 2.2 to 1.8, heat-resistant temperature = 500 ° C. or higher), MesoELK (US Air Products and Chemicals, Inc., relative dielectric constant = 2 or lower) There is. Porous MSQ materials include HSG-6221X (manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd., relative dielectric constant = 2.4, heat-resistant temperature = 650 ° C.), ALCAP-S (manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., relative dielectric constant = 2.3-1.8). , Heat resistant temperature = 450 ° C.), OCL T-77 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., relative dielectric constant = 2.2 to 1.9, heat resistant temperature = 600 ° C.), HSG-6210X (manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd., relative dielectric constant = 2.1, heat-resistant temperature = 650 ° C.), silica aerogel (manufactured by Kobe Steel, relative dielectric constant: 1.4 to 1.1), and the like. Examples of porous organic materials include PolyELK (US Air Products and Chemicals, Inc., dielectric constant = 2 or less, heat-resistant temperature = 490 ° C.).

上記低誘電率絶縁材料のうち、SiOC系材料およびSiOF系材料は、CVD法によって形成することができる。例えばBlack Diamondは、トリメチルシランと酸素との混合ガスを用いたCVD法などによって形成され、p−MTESは、メチルトリエトキシシランとN2Oとの混合ガスを用いたCVD法によって形成される。それ以外の絶縁材料は、塗布法によって形成される。 Of the low dielectric constant insulating materials, SiOC-based materials and SiOF-based materials can be formed by a CVD method. For example, Black Diamond is formed by a CVD method using a mixed gas of trimethylsilane and oxygen, and p-MTES is formed by a CVD method using a mixed gas of methyltriethoxysilane and N 2 O. Other insulating materials are formed by a coating method.

(実施の形態1)
本実施の形態は、多層配線を有するCMOS−LSIに適用したものであり、その製造方法を図1〜図18を用いて工程順に説明する。
(Embodiment 1)
This embodiment is applied to a CMOS-LSI having a multilayer wiring, and a manufacturing method thereof will be described in the order of steps with reference to FIGS.

まず、図1に示すように、周知の半導体製造方法を用いて単結晶シリコンからなる半導体基板(以下、単に基板という)1の主面にnチャネル型MISFET(Qn)およびpチャネル型MISFET(Qp)を形成する。図中の符号2は、基板1をエッチングして形成した溝の内部に酸化シリコン膜3を埋め込んで形成した素子分離溝である。4はp型ウエル、5はn型ウエルであり、基板1に不純物をイオン注入した後、熱処理を行って形成する。   First, as shown in FIG. 1, an n-channel MISFET (Qn) and a p-channel MISFET (Qp) are formed on the main surface of a semiconductor substrate (hereinafter simply referred to as a substrate) 1 made of single crystal silicon using a known semiconductor manufacturing method. ). Reference numeral 2 in the figure denotes an element isolation groove formed by embedding a silicon oxide film 3 in a groove formed by etching the substrate 1. Reference numeral 4 denotes a p-type well and 5 denotes an n-type well, which are formed by ion-implanting impurities into the substrate 1 and then performing heat treatment.

nチャネル型MISFET(Qn)は、p型ウエル4の表面に形成された酸化シリコン膜または酸窒化窒化シリコン膜などからなるゲート絶縁膜6、ゲート絶縁膜6の上部に形成された多結晶シリコン膜などからなるゲート電極7、ゲート電極7の側壁に形成された酸化シリコン膜などからなるサイドウォールスペーサ10、ゲート電極7の両側のp型ウエル4に形成された一対のn型半導体領域(ソース、ドレイン)11などによって構成される。pチャネル型MISFET(Qp)は、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7、サイドウォールスペーサ10、ゲート電極7の両側のn型ウエル5に形成された一対のp型半導体領域(ソース、ドレイン)12などによって構成される。nチャネル型MISFET(Qn)のゲート電極7を構成する多結晶シリコン膜中にはP(リン)が導入され、pチャネル型MISFET(Qp)のゲート電極7を構成する多結晶シリコン膜中にはB(ホウ素)が導入される。また、nチャネル型MISFET(Qn)のゲート電極7とn型半導体領域(ソース、ドレイン)11のそれぞれの表面、およびpチャネル型MISFET(Qp)のゲート電極7とp型半導体領域(ソース、ドレイン)12のそれぞれの表面には、ゲート電極7およびソース、ドレインの低抵抗化を目的としたCo(コバルト)シリサイド膜13が形成される。   The n-channel type MISFET (Qn) includes a gate insulating film 6 made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride nitride film formed on the surface of the p-type well 4, and a polycrystalline silicon film formed on the gate insulating film 6. A gate electrode 7 made of, a sidewall spacer 10 made of a silicon oxide film or the like formed on the side wall of the gate electrode 7, and a pair of n-type semiconductor regions (sources) formed in the p-type well 4 on both sides of the gate electrode 7. Drain) 11 and the like. The p-channel type MISFET (Qp) includes a gate insulating film 6, a gate electrode 7, a side wall spacer 10, a pair of p-type semiconductor regions (source and drain) 12 formed in the n-type well 5 on both sides of the gate electrode 7, etc. Consists of. P (phosphorus) is introduced into the polycrystalline silicon film constituting the gate electrode 7 of the n-channel type MISFET (Qn), and the polycrystalline silicon film constituting the gate electrode 7 of the p-channel type MISFET (Qp) is introduced into the polycrystalline silicon film. B (boron) is introduced. Further, the respective surfaces of the gate electrode 7 and the n-type semiconductor region (source, drain) 11 of the n-channel type MISFET (Qn), and the gate electrode 7 and the p-type semiconductor region (source, drain) of the p-channel type MISFET (Qp). ) 12 is formed with a Co (cobalt) silicide film 13 for the purpose of reducing the resistance of the gate electrode 7 and the source and drain.

次に、図2に示すように、基板1上にCVD法で窒化シリコン膜15と酸化シリコン膜16とを堆積した後、酸化シリコン膜16の表面を化学的機械研磨法で平坦化する。続いて、nチャネル型MISFET(Qn)のn型半導体領域(ソース、ドレイン)11およびpチャネル型MISFET(Qp)のp型半導体領域(ソース、ドレイン)12のそれぞれの上部の酸化シリコン膜16と窒化シリコン膜14をエッチングしてコンタクトホール17を形成した後、それぞれのコンタクトホール17の内部にプラグ18を形成する。プラグ18は、例えばTiN(窒化チタン)からなるバリア膜とW(タングステン)膜との積層膜で構成する。   Next, as shown in FIG. 2, after depositing a silicon nitride film 15 and a silicon oxide film 16 on the substrate 1 by a CVD method, the surface of the silicon oxide film 16 is planarized by a chemical mechanical polishing method. Subsequently, the silicon oxide film 16 on each of the n-type semiconductor region (source, drain) 11 of the n-channel type MISFET (Qn) and the p-type semiconductor region (source, drain) 12 of the p-channel type MISFET (Qp) After the silicon nitride film 14 is etched to form contact holes 17, plugs 18 are formed in the respective contact holes 17. The plug 18 is composed of a laminated film of, for example, a barrier film made of TiN (titanium nitride) and a W (tungsten) film.

次に、図3に示すように、酸化シリコン膜16の上部に3層の絶縁膜20、21、22を堆積した後、絶縁膜22の上部に配線形成領域が開口されたフォトレジスト膜24を形成する。フォトレジスト膜24の下層には、必要に応じて反射防止膜23を形成する。   Next, as shown in FIG. 3, after three layers of insulating films 20, 21, 22 are deposited on the silicon oxide film 16, a photoresist film 24 having an opening for forming a wiring region is formed on the insulating film 22. Form. An antireflection film 23 is formed below the photoresist film 24 as necessary.

絶縁膜20は、プラズマCVD法で堆積した窒化シリコン膜、酸窒化シリコン(SiON)膜、炭化シリコン(SiC)膜または炭窒化シリコン(SiCN)膜で構成し、絶縁膜22は、窒化シリコン膜、炭化シリコンまたは炭窒化シリコン膜で構成する。酸窒化シリコン膜は、例えばトリメトキシシランとN2O(酸化窒素)との混合ガスを用いて堆積し、炭化シリコン膜は、例えばHe(ヘリウム)とトリメチルシランとの混合ガスを用いて堆積する。炭窒化シリコン膜は、例えばHeとアンモニアとトリメチルシランとの混合ガスを用いて堆積する。 The insulating film 20 is composed of a silicon nitride film, a silicon oxynitride (SiON) film, a silicon carbide (SiC) film, or a silicon carbonitride (SiCN) film deposited by plasma CVD, and the insulating film 22 is a silicon nitride film, It is composed of a silicon carbide or silicon carbonitride film. The silicon oxynitride film is deposited using, for example, a mixed gas of trimethoxysilane and N 2 O (nitrogen oxide), and the silicon carbide film is deposited using, for example, a mixed gas of He (helium) and trimethylsilane. . The silicon carbonitride film is deposited using, for example, a mixed gas of He, ammonia, and trimethylsilane.

一方、絶縁膜21は、アンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理によってエッチングできる材料、例えば前述したSiLKのような有機ポリマー系低誘電率絶縁材料で構成する。次の工程で酸化シリコン膜16の上部に形成される第1層配線26の膜厚は、この絶縁膜21の膜厚によって規定される。 On the other hand, the insulating film 21 is made of a material that can be etched by ammonia plasma processing or N 2 / H 2 plasma processing, for example, an organic polymer low dielectric constant insulating material such as SiLK described above. The film thickness of the first layer wiring 26 formed in the upper part of the silicon oxide film 16 in the next step is defined by the film thickness of the insulating film 21.

次に、図4に示すように、フォトレジスト膜24をマスクにして反射防止膜23および絶縁膜22、21、20をドライエッチングすることにより、酸化シリコン膜16の上部に配線溝25を形成する。このとき、絶縁膜21は、アンモニアプラズマまたはN2/H2プラズマのような還元性プラズマを用いたエッチングによって除去する。 Next, as shown in FIG. 4, the antireflection film 23 and the insulating films 22, 21, and 20 are dry-etched using the photoresist film 24 as a mask, thereby forming a wiring trench 25 on the silicon oxide film 16. . At this time, the insulating film 21 is removed by etching using reducing plasma such as ammonia plasma or N 2 / H 2 plasma.

次に、フォトレジスト膜24および反射防止膜23をアッシングによって除去した後、図5に示すように、配線溝25の内部に第1層配線26を形成する。第1層配線26は、下層のプラグ18を介してnチャネル型MISFET(Qn)のソース、ドレイン(n型半導体領域11)またはpチャネル型MISFET(Qp)のソース、ドレイン(p型半導体領域12)と電気的に接続される。   Next, after removing the photoresist film 24 and the antireflection film 23 by ashing, a first layer wiring 26 is formed inside the wiring groove 25 as shown in FIG. The first layer wiring 26 is connected to the source and drain (n-type semiconductor region 11) of the n-channel type MISFET (Qn) or the source and drain (p-type semiconductor region 12) of the p-channel type MISFET (Qp) via the plug 18 in the lower layer. ) And electrically connected.

第1層配線26を形成するには、まず配線溝25の内部を埋め込まない程度の薄い(50nm程度)TiN膜をスパッタリング法で堆積し、続いて配線溝25の内部を完全に埋め込む厚い(800nm〜1600nm程度)Cu膜をスパッタリング法またはメッキ法またはそれらの組合せで堆積した後、配線溝25の外部のCu膜とTiN膜とを化学的機械研磨法で除去する。TiN膜は、Cu膜が周囲の絶縁膜中に拡散するのを防止するバリア膜である。バリア膜は、TiN膜の他、WN(窒化タングステン)やTaN(窒化タンタル)のような窒化金属膜またはこれらにSiを添加した膜、あるいはTa、Ti、W、TiWのような高融点金属膜など、Cuと反応し難い各種導電膜を単独または積層構造で使用することができる。なお、後述するように、本実施の形態では、第1層配線26の表面をバリア絶縁膜(27)で覆うことによって、第1層配線26中のCuが層間絶縁膜(30)中に拡散するのを防ぐようにするので、上記したTiN膜などの導電性バリア膜は必ずしも必要ではなく、Cu膜のみで第1層配線26を構成してもよい。   In order to form the first layer wiring 26, first, a thin (about 50 nm) TiN film that does not fill the inside of the wiring trench 25 is deposited by sputtering, and then the thick (800 nm) that completely fills the inside of the wiring trench 25 is deposited. After the Cu film is deposited by a sputtering method, a plating method, or a combination thereof, the Cu film and the TiN film outside the wiring trench 25 are removed by a chemical mechanical polishing method. The TiN film is a barrier film that prevents the Cu film from diffusing into the surrounding insulating film. The barrier film is a TiN film, a metal nitride film such as WN (tungsten nitride) or TaN (tantalum nitride), a film obtained by adding Si to these films, or a refractory metal film such as Ta, Ti, W, or TiW Various conductive films that do not easily react with Cu can be used alone or in a laminated structure. As will be described later, in the present embodiment, Cu in the first layer wiring 26 is diffused into the interlayer insulating film (30) by covering the surface of the first layer wiring 26 with the barrier insulating film (27). In order to prevent this, the conductive barrier film such as the TiN film described above is not always necessary, and the first layer wiring 26 may be formed of only the Cu film.

次に、図6に示すように、アンモニアプラズマまたはN2/H2プラズマのような還元性プラズマを用いたエッチングによって絶縁膜21を除去する。絶縁膜21を還元性プラズマ処理によって除去することにより、化学的機械研磨処理の過程で第1層配線26の表面に生じたCuの酸化物(CuO、CuO2)をCuに還元し、さらに第1層配線26の表面にCuN(窒化銅)からなる薄い保護膜を形成することができる。 Next, as shown in FIG. 6, the insulating film 21 is removed by etching using reducing plasma such as ammonia plasma or N 2 / H 2 plasma. By removing the insulating film 21 by reducing plasma treatment, Cu oxide (CuO, CuO 2 ) generated on the surface of the first layer wiring 26 in the course of the chemical mechanical polishing treatment is reduced to Cu. A thin protective film made of CuN (copper nitride) can be formed on the surface of the first layer wiring 26.

次に、図7に示すように、第1層配線26の上部にバリア絶縁膜27を堆積する。バリア絶縁膜27は、第1層配線26中のCuが後に形成する層間絶縁膜(30)中に拡散するのを防ぐための絶縁膜であり、例えばプラズマCVD法で堆積した窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、炭化シリコン膜または炭窒化シリコン膜で構成する。   Next, as shown in FIG. 7, a barrier insulating film 27 is deposited on the first layer wiring 26. The barrier insulating film 27 is an insulating film for preventing Cu in the first layer wiring 26 from diffusing into an interlayer insulating film (30) to be formed later. For example, a silicon nitride film deposited by a plasma CVD method, an acid film A silicon nitride film, a silicon carbide film, or a silicon carbonitride film is used.

バリア絶縁膜27は、膜が第1層配線26の側壁および上面に沿ってコンフォーマルに堆積されず、第1層配線26の側壁上部近傍でオーバーハングするような成膜条件で堆積する。すなわち、第1層配線26の側壁上部近傍でのバリア絶縁膜27の成膜速度が側壁下部近傍での成膜速度より大きくなるような条件で堆積する。このようにすると、複数の第1層配線26のうち、隣接する第1層配線26とのピッチ(隣接配線間ピッチ)が最小である領域では、第1層配線26のスペース領域にバリア絶縁膜27が完全に埋め込まれる前に、第1層配線26の側壁上部近傍でバリア絶縁膜27同士が接触するので、第1層配線26のスペース領域に空隙(エアギャップ)28が形成される。   The barrier insulating film 27 is deposited under such film forming conditions that the film is not conformally deposited along the side wall and the upper surface of the first layer wiring 26 but overhangs in the vicinity of the upper portion of the side wall of the first layer wiring 26. That is, the deposition is performed under such a condition that the deposition rate of the barrier insulating film 27 in the vicinity of the upper portion of the side wall of the first layer wiring 26 is higher than the deposition rate in the vicinity of the lower portion of the sidewall. In this way, in a region where the pitch between adjacent first layer wirings 26 (a pitch between adjacent wirings) among the plurality of first layer wirings 26 is the smallest, a barrier insulating film is formed in the space region of the first layer wirings 26. Since the barrier insulating films 27 are in contact with each other in the vicinity of the upper portion of the side wall of the first layer wiring 26 before the 27 is completely buried, a gap (air gap) 28 is formed in the space region of the first layer wiring 26.

これにより、隣接配線間ピッチが最小である領域、すなわち配線間容量が最も問題となる領域において、第1層配線26のスペース領域に介在するバリア絶縁膜27の誘電率を実効的に低くすることができるので、第1層配線26の配線間容量を低減することができる。また、バリア絶縁膜27をポーラスLow−K材料で構成しなくとも、配線間領域における絶縁膜の誘電率を実効的に低くすることができるので、ポーラスLow−K材料を使用した場合に問題となるリークレベルの上昇も避けることができる。   This effectively reduces the dielectric constant of the barrier insulating film 27 interposed in the space region of the first layer wiring 26 in the region where the pitch between adjacent wirings is the smallest, that is, in the region where the capacitance between the wirings is the most problematic. Therefore, the inter-wiring capacity of the first layer wiring 26 can be reduced. In addition, even if the barrier insulating film 27 is not made of a porous Low-K material, the dielectric constant of the insulating film in the inter-wiring region can be effectively lowered, so that there is a problem when the porous Low-K material is used. An increase in leak level can also be avoided.

さらに、上記の構造は、通常のダマシン構造のように、第1層配線26のスペース領域に絶縁膜21が残っていないのみならず、空隙28の上端が第1層配線26の上面よりも上方に位置している。これにより、第1層配線26のスペース領域にCuイオンのリークパスが形成されないので、TDDB寿命の劣化を防ぐこともできる。   Further, in the above structure, as in a normal damascene structure, not only the insulating film 21 does not remain in the space region of the first layer wiring 26 but also the upper end of the gap 28 is higher than the upper surface of the first layer wiring 26. Is located. As a result, a Cu ion leakage path is not formed in the space region of the first layer wiring 26, and therefore, the deterioration of the TDDB life can be prevented.

次に、図8に示すように、バリア絶縁膜27の上部に層間絶縁膜30とキャップ絶縁膜31とを堆積した後、キャップ絶縁膜31の表面を化学的機械研磨法で平坦化する。層間絶縁膜30は、第1層配線26と後の工程でその上部に形成する第2層配線(40)との間に形成される容量を低減するために、SiOFやSiOCなどの低誘電率絶縁膜で構成する。キャップ絶縁膜31は、CVD法で堆積した酸化シリコン膜からなり、酸化シリコン膜に比べて機械的強度が低い低誘電率絶縁膜を化学的機械研磨法で平坦化する際の保護膜として機能する。また、キャップ絶縁膜31は、後の工程でその上部の絶縁膜(32)をエッチングする際のエッチングストッパ膜としても機能する。   Next, as shown in FIG. 8, an interlayer insulating film 30 and a cap insulating film 31 are deposited on the barrier insulating film 27, and then the surface of the cap insulating film 31 is planarized by a chemical mechanical polishing method. The interlayer insulating film 30 is formed of a low dielectric constant such as SiOF or SiOC in order to reduce a capacitance formed between the first layer wiring 26 and a second layer wiring (40) formed thereon in a later step. It is composed of an insulating film. The cap insulating film 31 is made of a silicon oxide film deposited by a CVD method and functions as a protective film when a low dielectric constant insulating film having a mechanical strength lower than that of the silicon oxide film is planarized by a chemical mechanical polishing method. . The cap insulating film 31 also functions as an etching stopper film when the upper insulating film (32) is etched in a later step.

なお、第1層配線26のスペース領域の空隙28は、上記以外の方法で形成することもできる。すなわち、図9に示すように、第1層配線26の側壁上部近傍でバリア絶縁膜27同士が接触する前にバリア絶縁膜27の成膜を停止し、その後、バリア絶縁膜27の上部に層間絶縁膜30を堆積してもよい。この場合、隣接配線間ピッチが最小である領域においては、第1層配線26のスペース領域の開口面積が狭く、層間絶縁膜30が隙間の内部に入り込めないので、空隙28が形成される。   The space 28 in the space area of the first layer wiring 26 can also be formed by a method other than the above. That is, as shown in FIG. 9, the barrier insulating film 27 is stopped before the barrier insulating films 27 come into contact with each other in the vicinity of the upper portion of the side wall of the first layer wiring 26, and then the interlayer is formed on the upper portion of the barrier insulating film 27. An insulating film 30 may be deposited. In this case, in the region where the pitch between adjacent wirings is minimum, the opening area of the space region of the first layer wiring 26 is narrow, and the interlayer insulating film 30 cannot enter the gap, so that the air gap 28 is formed.

次に、図10に示すように、キャップ絶縁膜31の上部に2層の絶縁膜32、33を堆積した後、絶縁膜33の上部に、配線溝形成領域が開口されたアルミナ(Al23)マスク34を形成する。絶縁膜32は、例えば前述したSiLKのように、アンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理によってエッチングできる材料で構成する。また、絶縁膜33は、SiLKのような耐酸化性に乏しい絶縁膜32がアルミナマスク34と直接接触して劣化するのを防ぐ保護膜であり、例えば窒化シリコン膜、炭化シリコンまたは炭窒化シリコン膜のような耐酸化性の強い絶縁材料で構成する。アルミナマスク34は、絶縁膜33上にスパッタリング法でアルミナ膜を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングで配線溝形成領域のアルミナ膜を除去することによって形成する。 Next, as shown in FIG. 10, after depositing two layers of insulating films 32 and 33 on the cap insulating film 31, alumina (Al 2 O) having a wiring groove forming region opened on the insulating film 33 is formed. 3 ) A mask 34 is formed. The insulating film 32 is made of a material that can be etched by ammonia plasma processing or N 2 / H 2 plasma processing, such as SiLK described above. The insulating film 33 is a protective film that prevents the insulating film 32 having poor oxidation resistance such as SiLK from being deteriorated by direct contact with the alumina mask 34, for example, a silicon nitride film, silicon carbide, or silicon carbonitride film. It is made of an insulating material with strong oxidation resistance. The alumina mask 34 is formed by depositing an alumina film on the insulating film 33 by a sputtering method and then removing the alumina film in the wiring groove forming region by dry etching using the photoresist film as a mask.

次に、図11に示すように、絶縁膜33の上部に反射防止膜35を形成し、反射防止膜35の上部にビアホール形成領域を開口したフォトレジスト膜36を形成する。そして、このフォトレジスト膜36をマスクにして反射防止膜23、絶縁膜33、32、キャップ絶縁膜31、層間絶縁膜30およびバリア絶縁膜27をドライエッチングすることにより、バリア絶縁膜27に達するビアホール37を形成する。このとき、絶縁膜32は、アンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理によってエッチングする。 Next, as shown in FIG. 11, an antireflection film 35 is formed on the insulating film 33, and a photoresist film 36 having a via hole formation region opened is formed on the antireflection film 35. Then, by using the photoresist film 36 as a mask, the antireflection film 23, the insulating films 33 and 32, the cap insulating film 31, the interlayer insulating film 30 and the barrier insulating film 27 are dry-etched, whereby via holes reaching the barrier insulating film 27 are formed. 37 is formed. At this time, the insulating film 32 is etched by ammonia plasma processing or N 2 / H 2 plasma processing.

次に、フォトレジスト膜36および反射防止膜35をアッシングによって除去した後、図12に示すように、アルミナマスク34をマスクにして絶縁膜33、32をドライエッチングすることにより、配線溝38を形成する。このとき、絶縁膜32は、アンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理によってエッチングする。下層のキャップ絶縁膜31は、絶縁膜32をエッチングする際のエッチングストッパ膜として機能する。 Next, after removing the photoresist film 36 and the antireflection film 35 by ashing, as shown in FIG. 12, the insulating films 33 and 32 are dry-etched using the alumina mask 34 as a mask to form a wiring groove 38. To do. At this time, the insulating film 32 is etched by ammonia plasma processing or N 2 / H 2 plasma processing. The lower cap insulating film 31 functions as an etching stopper film when the insulating film 32 is etched.

上記窒化シリコン膜、炭化シリコンまたは炭窒化シリコン膜からなる絶縁膜33をエッチングする際、フォトレジストやシリコン系絶縁膜からなるマスクを用いた場合は、絶縁膜33に対して高いエッチング選択比が得られない。これに対して、アルミナは、上記のような材料からなる絶縁膜33および絶縁膜32に対して高いエッチング選択比が得られるので、アルミナマスク34を使用することによって、配線溝38を高い精度で形成することができる。なお、ここではビアホール37を形成した後に配線溝38を形成するプロセスを説明したが、これとは逆に、配線溝38を形成した後にビアホール37を形成してもよい。   When etching the insulating film 33 made of the silicon nitride film, silicon carbide, or silicon carbonitride film, a high etching selectivity with respect to the insulating film 33 is obtained when a mask made of a photoresist or a silicon-based insulating film is used. I can't. In contrast, alumina can provide a high etching selectivity with respect to the insulating film 33 and the insulating film 32 made of the above-described materials. Therefore, by using the alumina mask 34, the wiring groove 38 can be formed with high accuracy. Can be formed. Here, the process of forming the wiring groove 38 after forming the via hole 37 has been described, but conversely, the via hole 37 may be formed after forming the wiring groove 38.

次に、図13に示すように、フッ酸系のエッチング液でアルミナマスク34を除去した後、キャップ絶縁膜31をマスクに用い、ビアホール37の底部のバリア絶縁膜27をドライエッチングすることによって、第1層配線26の表面を露出させる。このとき、絶縁膜32の上部の絶縁膜33も同時に除去される。   Next, as shown in FIG. 13, after removing the alumina mask 34 with a hydrofluoric acid-based etchant, the barrier insulating film 27 at the bottom of the via hole 37 is dry-etched using the cap insulating film 31 as a mask. The surface of the first layer wiring 26 is exposed. At this time, the insulating film 33 on the insulating film 32 is also removed at the same time.

次に、図14に示すように、配線溝38の内部に第2層配線40を形成する。第2層配線40は、前記配線溝25の内部に第1層配線26を形成したときと同様の方法で形成する。すなわち、配線溝38の内部を埋め込まない程度の薄いTiN膜(バリア膜)をスパッタリング法で堆積し、続いて配線溝38の内部を完全に埋め込む厚いCu膜をスパッタリング法またはメッキ法で堆積した後、配線溝38の外部のCu膜とTiN膜とを化学的機械研磨法で除去する。第2層配線40は、ビアホール37を通じて第1層配線26と電気的に接続される。   Next, as shown in FIG. 14, the second layer wiring 40 is formed inside the wiring groove 38. The second layer wiring 40 is formed by the same method as when the first layer wiring 26 is formed inside the wiring groove 25. That is, a thin TiN film (barrier film) that does not fill the inside of the wiring trench 38 is deposited by sputtering, and then a thick Cu film that completely fills the inside of the wiring trench 38 is deposited by sputtering or plating. Then, the Cu film and the TiN film outside the wiring groove 38 are removed by a chemical mechanical polishing method. The second layer wiring 40 is electrically connected to the first layer wiring 26 through the via hole 37.

次に、図15に示すように、アンモニアプラズマまたはN2/H2プラズマのような還元性プラズマを用いたエッチングによって絶縁膜32を除去する。絶縁膜32を還元性プラズマ処理によって除去することにより、化学的機械研磨処理の過程で第2層配線40の表面に生じたCuの酸化物(CuO、CuO2)をCuに還元し、さらに第2層配線40の表面にCuN(窒化銅)からなる薄い保護膜を形成することができる。 Next, as shown in FIG. 15, the insulating film 32 is removed by etching using a reducing plasma such as ammonia plasma or N 2 / H 2 plasma. By removing the insulating film 32 by reducing plasma treatment, Cu oxide (CuO, CuO 2 ) generated on the surface of the second layer wiring 40 in the course of the chemical mechanical polishing treatment is reduced to Cu. A thin protective film made of CuN (copper nitride) can be formed on the surface of the two-layer wiring 40.

次に、図16に示すように、第2層配線40の上部にバリア絶縁膜41を堆積する。バリア絶縁膜41は、第2層配線40中のCuが後に形成する層間絶縁膜(43)中に拡散するのを防ぐための絶縁膜である。バリア絶縁膜41は、第1層配線26を覆うバリア絶縁膜27と同様、例えばプラズマCVD法で堆積した窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、炭化シリコン膜または炭窒化シリコン膜で構成する。また、バリア絶縁膜41を下層のバリア絶縁膜27と同様の成膜条件、すなわち膜が第2層配線40の側壁および上面に沿ってコンフォーマルに堆積されず、第2層配線40の側壁上部近傍でオーバーハングするような成膜条件で堆積することにより、複数の第2層配線40のうち、隣接する第2層配線40とのピッチ(隣接配線間ピッチ)が最小である領域において、第2層配線40のスペース領域に空隙(エアギャップ)42が形成される。   Next, as shown in FIG. 16, a barrier insulating film 41 is deposited on the second layer wiring 40. The barrier insulating film 41 is an insulating film for preventing Cu in the second layer wiring 40 from diffusing into an interlayer insulating film (43) to be formed later. The barrier insulating film 41 is made of, for example, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a silicon carbide film, or a silicon carbonitride film deposited by a plasma CVD method, like the barrier insulating film 27 that covers the first layer wiring 26. Further, the barrier insulating film 41 is formed in the same film formation conditions as the lower barrier insulating film 27, that is, the film is not conformally deposited along the side wall and the upper surface of the second layer wiring 40, and the upper side wall of the second layer wiring 40 is In the region where the pitch between adjacent second layer wirings 40 (the pitch between adjacent wirings) is the smallest among the plurality of second layer wirings 40 by depositing under film forming conditions that cause overhang in the vicinity. A space (air gap) 42 is formed in the space region of the two-layer wiring 40.

これにより、隣接配線間ピッチが最小である領域、すなわち配線間容量が最も問題となる領域において、第2層配線40のスペース領域に介在するバリア絶縁膜41の誘電率を実効的に低くすることができるので、第2層配線40の配線間容量を低減することができる。また、第2層配線40のスペース領域にCuイオンのリークパスが形成されないので、TDDB寿命の劣化を防ぐこともできる。   This effectively reduces the dielectric constant of the barrier insulating film 41 interposed in the space region of the second layer wiring 40 in the region where the pitch between adjacent wirings is the smallest, that is, the region where the capacitance between wirings is the most problematic. Therefore, the inter-wiring capacity of the second layer wiring 40 can be reduced. Moreover, since a Cu ion leak path is not formed in the space region of the second layer wiring 40, it is possible to prevent the deterioration of the TDDB life.

次に、図17に示すように、バリア絶縁膜41の上部に層間絶縁膜43とキャップ絶縁膜44とを堆積し、続いてキャップ絶縁膜44の上部に第3層配線45を形成した後、第3層配線45の上部にバリア絶縁膜46を堆積する。層間絶縁膜43は、下層の層間絶縁膜30と同様、配線間容量を低減するために、SiOFやSiOCなどの低誘電率絶縁膜で構成し、キャップ絶縁膜44は、下層のキャップ絶縁膜31と同様、CVD法で堆積した酸化シリコン膜で構成する。第3層配線45は、第2層配線40と同じくTiN膜(バリア膜)とCu膜とで構成し、第2層配線40と同じ方法で形成する。第3層配線45は、ビアホール47を通じて第2層配線40と電気的に接続される。   Next, as shown in FIG. 17, an interlayer insulating film 43 and a cap insulating film 44 are deposited on the barrier insulating film 41, and then a third layer wiring 45 is formed on the cap insulating film 44. A barrier insulating film 46 is deposited on the third layer wiring 45. The interlayer insulating film 43 is composed of a low dielectric constant insulating film such as SiOF or SiOC in order to reduce the inter-wiring capacitance, as with the lower interlayer insulating film 30, and the cap insulating film 44 is the lower cap insulating film 31. In the same manner as described above, the silicon oxide film is deposited by the CVD method. The third layer wiring 45 is composed of a TiN film (barrier film) and a Cu film like the second layer wiring 40 and is formed by the same method as the second layer wiring 40. The third layer wiring 45 is electrically connected to the second layer wiring 40 through the via hole 47.

バリア絶縁膜46は、第3層配線45中のCuが後に形成する層間絶縁膜(50)中に拡散するのを防ぐための絶縁膜であり、下層のバリア絶縁膜27、41と同様、プラズマCVD法で堆積した窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、炭化シリコン膜または炭窒化シリコン膜で構成する。また、バリア絶縁膜46を下層のバリア絶縁膜27、41と同様の成膜条件で堆積することにより、複数の第3層配線45のうち、隣接する第3層配線45とのピッチ(隣接配線間ピッチ)が最小である領域において、第3層配線45のスペース領域に空隙(エアギャップ)48が形成される。   The barrier insulating film 46 is an insulating film for preventing Cu in the third-layer wiring 45 from diffusing into an interlayer insulating film (50) to be formed later. Like the barrier insulating films 27 and 41 in the lower layer, the barrier insulating film 46 is plasma. A silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a silicon carbide film, or a silicon carbonitride film deposited by a CVD method is used. In addition, by depositing the barrier insulating film 46 under the same film formation conditions as the lower barrier insulating films 27 and 41, the pitch (adjacent wiring) between the adjacent third layer wirings 45 among the plurality of third layer wirings 45. In the region where the (interval pitch) is the smallest, a gap (air gap) 48 is formed in the space region of the third layer wiring 45.

これにより、第1層配線26および第2層配線40と同様、隣接配線間ピッチが最小である領域、すなわち配線間容量が最も問題となる領域において、第3層配線45のスペース領域に介在するバリア絶縁膜41の誘電率を実効的に低くすることができるので、第3層配線45の配線間容量を低減することができる。また、第3層配線45のスペース領域にCuイオンのリークパスが形成されないので、TDDB寿命の劣化を防ぐこともできる。   As a result, like the first layer wiring 26 and the second layer wiring 40, it is interposed in the space region of the third layer wiring 45 in the region where the pitch between adjacent wirings is the smallest, that is, the region where the capacitance between wirings is the most problematic. Since the dielectric constant of the barrier insulating film 41 can be effectively lowered, the inter-wiring capacitance of the third layer wiring 45 can be reduced. Further, since a Cu ion leak path is not formed in the space region of the third layer wiring 45, it is possible to prevent the deterioration of the TDDB life.

次に、図18に示すように、バリア絶縁膜46の上部に層間絶縁膜50とキャップ絶縁膜51とを堆積し、続いて層間絶縁膜50の内部に第4層配線52を形成した後、第4層配線52の上部にバリア絶縁膜53を堆積する。層間絶縁膜50は、下層の層間絶縁膜30、43と同様、配線間容量を低減するために、SiOFやSiOCなどの低誘電率絶縁膜で構成し、キャップ絶縁膜44は、下層のキャップ絶縁膜31、44と同様、CVD法で堆積した酸化シリコン膜で構成する。   Next, as shown in FIG. 18, an interlayer insulating film 50 and a cap insulating film 51 are deposited on the barrier insulating film 46, and then a fourth layer wiring 52 is formed inside the interlayer insulating film 50. A barrier insulating film 53 is deposited on the fourth layer wiring 52. The interlayer insulating film 50 is composed of a low dielectric constant insulating film such as SiOF or SiOC in order to reduce the inter-wiring capacitance, similarly to the lower interlayer insulating films 30 and 43, and the cap insulating film 44 is formed of the lower cap insulating film. Like the films 31 and 44, the film is formed of a silicon oxide film deposited by the CVD method.

第4層配線52は、第1〜第3層配線26、40、45と同じくTiN膜(バリア膜)とCu膜とで構成するが、隣接する他の第4層配線(図示せず)とは、配線間容量が殆ど問題にならない程度に離れているものとする。また、第4層配線52よりも上層の配線(図示せず)も同様とする。この場合、第4層配線52およびそれよりも上層の配線は、隣接配線同士のスペース領域に空隙を形成せず、周知のデュアルダマシン法を用いて形成する。これにより、配線層全体の機械的強度を低下させることなく、第1〜第3層配線26、40、45の配線間容量の低減とTDDB寿命の劣化防止を実現することができる。   The fourth layer wiring 52 is composed of a TiN film (barrier film) and a Cu film like the first to third layer wirings 26, 40, and 45, but with another adjacent fourth layer wiring (not shown). Is assumed to be far enough that the capacitance between the wirings is not a problem. The same applies to the wiring (not shown) above the fourth layer wiring 52. In this case, the fourth layer wiring 52 and the upper layer wiring are formed by using a well-known dual damascene method without forming a gap in the space region between adjacent wirings. Thereby, it is possible to reduce the inter-wiring capacity of the first to third layer wirings 26, 40, 45 and prevent the deterioration of the TDDB life without reducing the mechanical strength of the entire wiring layer.

なお、以上述べた本実施の形態1において、絶縁膜20、31、44、51を用いないプロセスおよび構造も可能である。   In the first embodiment described above, a process and structure that does not use the insulating films 20, 31, 44, and 51 are possible.

なお、本実施の形態では、配線間容量が問題となる隣接配線間ピッチが最小である領域において、配線のスペース領域に空隙を形成する方法を説明したが、隣接配線間ピッチが比較的広い領域において、配線のスペース領域に空隙を形成したい場合や、配線のスペース領域以外の領域に空隙を形成したい場合は、図19(a)〜(d)に示すように、空隙を形成したい領域の近傍にダミー配線39を配置し、配線26とダミー配線39とのピッチ、あるいはダミー配線39同士のピッチを最小にすればよい。ダミー配線39は、配線26と同時に形成される導体パターンであるが、LSIの電気回路としては必要とされない、すなわち配線26として機能しない導体パターンである。   In this embodiment, the method of forming a gap in the space area of the wiring in the area where the pitch between adjacent wirings where the capacity between the wirings is a problem has been described. However, the area where the pitch between adjacent wirings is relatively wide. In FIG. 19A to FIG. 19D, when the air gap is to be formed in the wiring space area or the air gap is to be formed in an area other than the wiring space area, as shown in FIGS. The dummy wirings 39 may be disposed in the wirings, and the pitch between the wirings 26 and the dummy wirings 39 or the pitch between the dummy wirings 39 may be minimized. The dummy wiring 39 is a conductor pattern formed at the same time as the wiring 26, but is not required as an LSI electrical circuit, that is, a conductor pattern that does not function as the wiring 26.

(実施の形態2)
前記実施の形態1で説明したプロセスでは、第2層配線40と第1層配線26とを接続するビアホール37を形成する際(図11参照)、フォトマスクの合わせずれに起因してビアホール37と第1層配線26との間で位置ずれが生じることがある。通常、このような位置ずれが生じると、第1層配線26の上方の絶縁膜をエッチングしてビアホール37を形成する際、第1層配線26のスペース領域の絶縁膜も一部が削られる。しかし、隣接配線間ピッチが狭い領域では、第1層配線26のスペース領域に空隙28が形成されているので、空隙28の下層の絶縁膜までもが削られ、極端な場合は、ビアホール37の底部の一部がゲート電極7や基板1にまで達してしまう虞れがある。このような問題は、第3層配線45と第2層配線40とを接続するビアホール47を形成する際にも生じる。
(Embodiment 2)
In the process described in the first embodiment, when the via hole 37 that connects the second layer wiring 40 and the first layer wiring 26 is formed (see FIG. 11), A positional shift may occur between the first layer wiring 26 and the first layer wiring 26. Normally, when such a positional shift occurs, when the via hole 37 is formed by etching the insulating film above the first layer wiring 26, the insulating film in the space region of the first layer wiring 26 is also partially removed. However, in the region where the pitch between adjacent wirings is narrow, since the air gap 28 is formed in the space region of the first layer wiring 26, even the insulating film below the air gap 28 is cut away. There is a possibility that part of the bottom reaches the gate electrode 7 or the substrate 1. Such a problem also occurs when the via hole 47 that connects the third layer wiring 45 and the second layer wiring 40 is formed.

その対策として、本実施の形態では、次のような方法でビアホール37を形成する。また、説明は省略するが、ビアホール47も同様の方法で形成する。   As a countermeasure, in this embodiment, the via hole 37 is formed by the following method. Although explanation is omitted, the via hole 47 is also formed by the same method.

まず、図20に示すように、nチャネル型MISFET(Qn)およびpチャネル型MISFET(Qp)の上部に形成した窒化シリコン膜15と酸化シリコン膜16とをエッチングしてコンタクトホール17を形成し、続いてコンタクトホール17の内部にプラグ18を形成した後、酸化シリコン膜16の上部に3層の絶縁膜20、21、22を堆積する。   First, as shown in FIG. 20, the silicon nitride film 15 and the silicon oxide film 16 formed on the n-channel MISFET (Qn) and the p-channel MISFET (Qp) are etched to form a contact hole 17. Subsequently, after a plug 18 is formed inside the contact hole 17, three layers of insulating films 20, 21, and 22 are deposited on the silicon oxide film 16.

次に、図21に示すように、絶縁膜22の上部に反射防止膜23とフォトレジスト膜24とを形成した後、フォトレジスト膜24をマスクにして反射防止膜23および絶縁膜22、21、20をドライエッチングすることによって配線溝25を形成する。ここまでの工程は、前記実施の形態1の図1〜図4に示す工程と同じである。なお、図21および以下の図22〜図29では、絶縁膜20よりも下層の領域の図示を省略する。   Next, as shown in FIG. 21, after the antireflection film 23 and the photoresist film 24 are formed on the insulating film 22, the antireflection film 23 and the insulating films 22, 21, A wiring trench 25 is formed by dry etching 20. The steps so far are the same as the steps shown in FIGS. 1 to 4 of the first embodiment. In FIG. 21 and the following FIGS. 22 to 29, illustration of the region below the insulating film 20 is omitted.

次に、図22に示すように、フォトレジスト膜24、反射防止膜23および絶縁膜22を除去する。図23は、この状態における絶縁膜21と配線溝25の平面形状を示している。絶縁膜21は、アンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理によってエッチングできる材料、例えば前述したSiLKのような有機ポリマー系低誘電率絶縁材料である。なお、絶縁膜21の上部には、絶縁膜22を残しておいてもよい。 Next, as shown in FIG. 22, the photoresist film 24, the antireflection film 23, and the insulating film 22 are removed. FIG. 23 shows the planar shapes of the insulating film 21 and the wiring trench 25 in this state. The insulating film 21 is a material that can be etched by ammonia plasma processing or N 2 / H 2 plasma processing, for example, an organic polymer low dielectric constant insulating material such as SiLK described above. Note that the insulating film 22 may be left on the insulating film 21.

次に、図24に示すように、後の工程で第2層配線40と第1層配線26とを接続するビアホール37が形成される領域とその周囲の絶縁膜21に電子ビーム(EB)を照射する。これにより、電子ビーム(EB)に曝された領域の絶縁膜21が変質し、アンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理によってエッチングされない絶縁膜21aとなる。図25は、ビアホール37の位置と電子ビーム(EB)の照射領域を平面図で示したものであり、ここに示されたビアホール37の位置は、後に形成される第1層配線26との間に位置ずれが生じない場合の位置(フォトマスクの合わせずれを0とした場合の位置)である。一方、電子ビーム(EB)の照射領域は、上記の位置ずれが0〜最大となる領域である。 Next, as shown in FIG. 24, an electron beam (EB) is applied to the region where the via hole 37 for connecting the second layer wiring 40 and the first layer wiring 26 is formed in the subsequent process and the insulating film 21 around the region. Irradiate. As a result, the insulating film 21 in the region exposed to the electron beam (EB) changes in quality and becomes an insulating film 21a that is not etched by the ammonia plasma process or the N 2 / H 2 plasma process. FIG. 25 is a plan view showing the position of the via hole 37 and the irradiation region of the electron beam (EB). The position of the via hole 37 shown here is between the first-layer wiring 26 to be formed later. This is the position when no misalignment occurs (position when the misalignment of the photomask is 0). On the other hand, the irradiation region of the electron beam (EB) is a region where the above positional deviation is 0 to maximum.

次に、図26に示すように、前記実施の形態1と同様の方法で配線溝25の内部に第1層配線26を形成する。なお、上記した電子ビーム(EB)の照射は、配線溝25の内部に第1層配線26を形成した後に行ってもよい。また、絶縁膜21をアンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理でエッチングされない絶縁膜21aに改質できるものであれば、電子ビーム(EB)以外のエネルギービームを使用してもよい。 Next, as shown in FIG. 26, the first layer wiring 26 is formed in the wiring groove 25 by the same method as in the first embodiment. The electron beam (EB) irradiation may be performed after the first layer wiring 26 is formed in the wiring groove 25. An energy beam other than an electron beam (EB) may be used as long as the insulating film 21 can be modified to an insulating film 21a that is not etched by ammonia plasma treatment or N 2 / H 2 plasma treatment.

次に、図27に示すように、アンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理によって絶縁膜21を除去すると、ビアホール37が形成される領域の周囲のみに絶縁膜21aが残る。 Next, as shown in FIG. 27, when the insulating film 21 is removed by ammonia plasma processing or N 2 / H 2 plasma processing, the insulating film 21a remains only around the region where the via hole 37 is formed.

次に、図28に示すように、前記実施の形態1と同様の方法で第1層配線26の上部にバリア絶縁膜27を堆積すると、隣接配線間ピッチが最小である領域では、第1層配線26のスペース領域に空隙28が形成される。このとき、ビアホール37が形成される領域の周囲には絶縁膜21aが残っているので、空隙28が形成されない。従って、ビアホール37が形成される領域の周囲では、第1層配線26のスペース領域に形成される容量が他の領域に比べて大きくなるが、基板1上に形成されるビアホール37の占有面積は、第1層配線26の占有面積に比べて遙かに小さいので、第1層配線26全体の配線間容量に及ぼす影響も僅かで済む。   Next, as shown in FIG. 28, when the barrier insulating film 27 is deposited on the first layer wiring 26 by the same method as in the first embodiment, the first layer is formed in the region where the pitch between adjacent wirings is minimum. A gap 28 is formed in the space area of the wiring 26. At this time, since the insulating film 21a remains around the region where the via hole 37 is formed, the air gap 28 is not formed. Therefore, although the capacitance formed in the space region of the first layer wiring 26 is larger than the other regions around the region where the via hole 37 is formed, the occupied area of the via hole 37 formed on the substrate 1 is as follows. Since the area occupied by the first layer wiring 26 is much smaller, the influence on the inter-wiring capacitance of the entire first layer wiring 26 is negligible.

その後、図29に示すように、前記実施の形態1と同様の方法で第1層配線26の上部の絶縁膜をエッチングしてビアホール37を形成する。本実施の形態によれば、このとき、フォトマスクの合わせずれに起因してビアホール37と第1層配線26との間で位置ずれが生じても、第1層配線26からずれた領域のビアホール37の下には絶縁膜21aが形成されているので、第1層配線26の下層の絶縁膜が削られる虞れはない。ここでは、第2層配線40と第1層配線26とを接続するビアホール37を形成する場合について説明したが、第3層配線45と第2層配線40とを接続するビアホール47を形成する場合にも適用できることは勿論である。   After that, as shown in FIG. 29, a via hole 37 is formed by etching the insulating film above the first layer wiring 26 by the same method as in the first embodiment. According to the present embodiment, at this time, even if a positional shift occurs between the via hole 37 and the first layer wiring 26 due to the misalignment of the photomask, the via hole in the region shifted from the first layer wiring 26 Since the insulating film 21a is formed under 37, there is no possibility that the insulating film under the first layer wiring 26 will be scraped. Here, the case where the via hole 37 for connecting the second layer wiring 40 and the first layer wiring 26 is formed has been described, but the case where the via hole 47 for connecting the third layer wiring 45 and the second layer wiring 40 is formed. Of course, the present invention can also be applied.

また、上記した方法以外の位置ずれ対策として、図30に示すように、ビアホール37が形成される領域のみ、第1層配線26の幅を広くし、フォトマスクの合わせずれに起因してビアホール37と第1層配線26との間で位置ずれが生じた場合でも、ビアホール37が第1層配線26上に配置されるようにしてもよい。この方法は、電子ビーム(EB)の照射によって絶縁膜21の一部を改質する方法よりも工程が簡単になるが、隣接配線間ピッチが広くなるので、配線密度が高い領域に適用したときには、チップサイズが大きくなってしまう。   Further, as a countermeasure against misalignment other than the method described above, as shown in FIG. 30, only in the region where the via hole 37 is formed, the width of the first layer wiring 26 is widened, and the via hole 37 is caused by misalignment of the photomask. The via hole 37 may be disposed on the first layer wiring 26 even when a positional deviation occurs between the first layer wiring 26 and the first layer wiring 26. This method is simpler than the method of modifying a part of the insulating film 21 by irradiation with an electron beam (EB). However, since the pitch between adjacent wirings becomes wide, when applied to a region where the wiring density is high. , Chip size will increase.

(実施の形態3)
本実施の形態では、配線間容量をさらに低減する方法について説明する。まず、図31に示すように、nチャネル型MISFET(Qn)およびpチャネル型MISFET(Qp)の上部に形成した窒化シリコン膜15と酸化シリコン膜16とをエッチングしてコンタクトホール17を形成し、続いてコンタクトホール17の内部にプラグ18を形成した後、酸化シリコン膜16の上部に3層の絶縁膜20、21、22を堆積し、絶縁膜22の上部に反射防止膜23とフォトレジスト膜24とを形する。ここまでの工程は、前記実施の形態1の図1〜図3に示す工程と同じである。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a method for further reducing the capacitance between wirings will be described. First, as shown in FIG. 31, the silicon nitride film 15 and the silicon oxide film 16 formed on the n-channel MISFET (Qn) and the p-channel MISFET (Qp) are etched to form contact holes 17. Subsequently, after a plug 18 is formed inside the contact hole 17, three layers of insulating films 20, 21, 22 are deposited on the silicon oxide film 16, and an antireflection film 23 and a photoresist film are formed on the insulating film 22. 24. The steps so far are the same as the steps shown in FIGS. 1 to 3 of the first embodiment.

次に、図32に示すように、フォトレジスト膜24をマスクにして反射防止膜23および絶縁膜22、21、20をドライエッチングすることによって配線溝25を形成する。このとき、本実施の形態では、絶縁膜22、21、20のエッチング条件を制御することによって、配線溝25の側壁に順テーパを設ける。すなわち、配線溝25の開口部の面積を底部の面積よりも小さくする。配線溝25の側壁に順テーパを設けるには、前記実施の形態1と同じドライエッチング条件で配線溝25を形成した後、ウェットエッチングによって配線溝25の側壁に順テーパを設けてもよい。なお、図32および以下の図33〜図36では、絶縁膜20よりも下層の領域の図示を省略する。   Next, as shown in FIG. 32, the antireflection film 23 and the insulating films 22, 21, and 20 are dry-etched using the photoresist film 24 as a mask to form a wiring groove 25. Next, as shown in FIG. At this time, in this embodiment, a forward taper is provided on the sidewall of the wiring trench 25 by controlling the etching conditions of the insulating films 22, 21, and 20. That is, the area of the opening of the wiring groove 25 is made smaller than the area of the bottom. In order to provide the forward taper on the side wall of the wiring groove 25, the forward groove may be provided on the side wall of the wiring groove 25 by wet etching after the wiring groove 25 is formed under the same dry etching conditions as in the first embodiment. In FIG. 32 and the following FIGS. 33 to 36, the region below the insulating film 20 is not shown.

次に、フォトレジスト膜24および反射防止膜23を除去した後、図33に示すように、前記実施の形態1と同様の方法で配線溝25の内部に第1層配線26を形成し、続いて、図34に示すように、アンモニアプラズマ処理またはN2/H2プラズマ処理によって絶縁膜21を除去する。このようにして得られた第1層配線26の断面形状は、上端部の幅が底部の幅よりも広い逆テーパとなる。 Next, after removing the photoresist film 24 and the antireflection film 23, as shown in FIG. 33, a first layer wiring 26 is formed in the wiring groove 25 by the same method as in the first embodiment, and then Then, as shown in FIG. 34, the insulating film 21 is removed by ammonia plasma treatment or N 2 / H 2 plasma treatment. The cross-sectional shape of the first layer wiring 26 thus obtained has an inverse taper in which the width of the upper end is wider than the width of the bottom.

次に、図35に示すように、第1層配線26の上面にメタルキャップ膜29を形成する。メタルキャップ膜29は、第1層配線26中のCuが後に形成する層間絶縁膜30中に拡散するのを防ぐためのバリア膜であり、例えばW(タングステン)で構成される。Wからなるメタルキャップ膜29は、六フッ化タングステン(WF6)および水素(H2)ガスを用いた選択タングステンCVD法により、第1層配線26を構成するCu膜の表面に選択的に形成することができる。メタルキャップ膜29は、Wの他、Cuの拡散を防止するバリア機能を持った他の金属または金属窒化物、例えばTi、CoWP、CoWB、Ta、TiNまたはTaNなどで構成してもよい。 Next, as shown in FIG. 35, a metal cap film 29 is formed on the upper surface of the first layer wiring 26. The metal cap film 29 is a barrier film for preventing Cu in the first layer wiring 26 from diffusing into an interlayer insulating film 30 to be formed later, and is made of, for example, W (tungsten). The metal cap film 29 made of W is selectively formed on the surface of the Cu film constituting the first layer wiring 26 by selective tungsten CVD using tungsten hexafluoride (WF 6 ) and hydrogen (H 2 ) gas. can do. In addition to W, the metal cap film 29 may be made of another metal or metal nitride having a barrier function for preventing diffusion of Cu, for example, Ti, CoWP, CoWB, Ta, TiN, or TaN.

次に、図36に示すように、第1層配線26の上部に層間絶縁膜30とキャップ絶縁膜31とを堆積した後、キャップ絶縁膜31の表面を化学的機械研磨法で平坦化する。すなわち、本実施の形態では、第1層配線26の上部にバリア絶縁膜27を形成することなく層間絶縁膜30を形成するが、第1層配線26の表面にメタルキャップ膜29を形成するので、バリア絶縁膜27を形成しなくとも第1層配線26中のCuが層間絶縁膜30中に拡散することはない。   Next, as shown in FIG. 36, after depositing an interlayer insulating film 30 and a cap insulating film 31 on the first layer wiring 26, the surface of the cap insulating film 31 is planarized by a chemical mechanical polishing method. That is, in the present embodiment, the interlayer insulating film 30 is formed without forming the barrier insulating film 27 on the first layer wiring 26, but the metal cap film 29 is formed on the surface of the first layer wiring 26. Even if the barrier insulating film 27 is not formed, Cu in the first layer wiring 26 does not diffuse into the interlayer insulating film 30.

また、本実施の形態では、第1層配線26の断面形状を逆テーパにする。このため、第1層配線26の上部に層間絶縁膜30を形成すると、隣接配線間ピッチが最小である領域においては、第1層配線26のスペース領域に層間絶縁膜30が完全に埋め込まれる前に、第1層配線26の側壁上部近傍で層間絶縁膜30同士が接触し、第1層配線26のスペース領域に空隙28が形成される。   In the present embodiment, the cross-sectional shape of the first layer wiring 26 is inverted. For this reason, when the interlayer insulating film 30 is formed on the first layer wiring 26, in a region where the pitch between adjacent wirings is the minimum, before the interlayer insulating film 30 is completely embedded in the space region of the first layer wiring 26. In addition, the interlayer insulating films 30 are in contact with each other in the vicinity of the upper portion of the side wall of the first layer wiring 26, and a gap 28 is formed in the space region of the first layer wiring 26.

前述したように、層間絶縁膜30は、SiOFやSiOCなどの低誘電率絶縁膜で構成される。従って、第1層配線26の上部および側壁を層間絶縁膜30で覆い、さらに第1層配線26のスペース領域に空隙28を形成する本実施の形態によれば、第1層配線26の配線間容量をさらに低減することができる。また、この構造によれば、通常のダマシン構造のように、第1層配線26のスペース領域にCuイオンのリークパスが形成されないので、TDDB寿命の劣化を防ぐこともできる。   As described above, the interlayer insulating film 30 is composed of a low dielectric constant insulating film such as SiOF or SiOC. Therefore, according to the present embodiment in which the upper and side walls of the first layer wiring 26 are covered with the interlayer insulating film 30 and the air gap 28 is formed in the space region of the first layer wiring 26, The capacity can be further reduced. In addition, according to this structure, unlike the ordinary damascene structure, a Cu ion leak path is not formed in the space region of the first layer wiring 26, so that it is possible to prevent the deterioration of the TDDB life.

また、上記した本実施の形態の構造を第2層配線40および第3層配線45に適用することにより、第2層配線40および第3層配線45の配線間容量もさらに低減することができる。   Further, by applying the structure of the present embodiment described above to the second layer wiring 40 and the third layer wiring 45, the inter-wiring capacitance of the second layer wiring 40 and the third layer wiring 45 can be further reduced. .

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明は、ダマシンCu配線と低誘電率絶縁膜を有するLSIの高速化、低消費電力化を推進するのに有用なものである。   The present invention is useful for promoting high speed and low power consumption of an LSI having a damascene Cu wiring and a low dielectric constant insulating film.

本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is one embodiment of this invention. 図1に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 1. 図2に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 2; 図3に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 3; 図4に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 4; 図5に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 5; 図6に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 6; 図7に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 7; 図8に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 8; 図9に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 9; 図10に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 10; 図11に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 12 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 11; 図12に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 12; 図13に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 14 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 13; 図14に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 14; 図15に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 16 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 15; 図16に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 17 is a main part cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 16; 図17に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 18 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 17; (a)〜(d)は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造方法における配線とダミー配線のレイアウトを示す平面図である。(A)-(d) is a top view which shows the layout of the wiring and dummy wiring in the manufacturing method of the semiconductor device which is other Embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is other embodiment of this invention. 図20に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 21 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 20; 図21に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 22 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 21; 図21に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部平面図である。FIG. 22 is a fragmentary plan view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 21; 図22に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 23 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 22; 図22に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部平面図であるFIG. 23 is a plan view of relevant parts of a semiconductor substrate, illustrating a method for manufacturing a semiconductor device following FIG. 22; 図24に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 25 is a main part cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 24; 図26に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 27 is a main part cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 26; 図27に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 28 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 27; 図28に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 29 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 28; 本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造方法における配線の形状を示す平面図である。It is a top view which shows the shape of the wiring in the manufacturing method of the semiconductor device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is other embodiment of this invention. 図31に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 32 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor substrate, which illustrates the manufacturing method of the semiconductor device following FIG. 31; 図32に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 33 is a main part cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 32; 図33に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 34 is a main part cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 33; 図34に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 35 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 34; 図35に続く半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。FIG. 36 is a main part cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 35;

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 素子分離溝
3 酸化シリコン膜
4 p型ウエル
5 n型ウエル
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
10 サイドウォールスペーサ
11 n型半導体領域(ソース、ドレイン)
12 p型半導体領域(ソース、ドレイン)
13 Coシリサイド膜
15 窒化シリコン膜
16 酸化シリコン膜
17 コンタクトホール
18 プラグ
20、21、21a、22 絶縁膜
23 反射防止膜
24 フォトレジスト膜
25 配線溝
26 第1層配線
27 バリア絶縁膜
28 空隙(エアギャップ)
29 メタルキャップ膜
30 層間絶縁膜
31 キャップ絶縁膜
32、33 絶縁膜
34 アルミナマスク
35 反射防止膜
36 フォトレジスト膜
37 ビアホール
38 配線溝
39 ダミー配線
40 第2層配線
41 バリア絶縁膜
42 空隙(エアギャップ)
43 層間絶縁膜
44 キャップ絶縁膜
45 第3層配線
46 バリア絶縁膜
47 ビアホール
48 空隙(エアギャップ)
50 層間絶縁膜
51 キャップ絶縁膜
52 第4層配線
53 バリア絶縁膜
EB:電子ビーム
Qn:nチャネル型MISFET
Qp:pチャネル型MISFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Element isolation groove 3 Silicon oxide film 4 P-type well 5 N-type well 6 Gate insulating film 7 Gate electrode 10 Side wall spacer 11 N-type semiconductor region (source, drain)
12 p-type semiconductor region (source, drain)
13 Co silicide film 15 Silicon nitride film 16 Silicon oxide film 17 Contact hole 18 Plugs 20, 21, 21a, 22 Insulating film 23 Antireflection film 24 Photoresist film 25 Wiring groove 26 First layer wiring 27 Barrier insulating film 28 Air gap (air gap)
29 Metal cap film 30 Interlayer insulating film 31 Cap insulating films 32 and 33 Insulating film 34 Alumina mask 35 Antireflection film 36 Photoresist film 37 Via hole 38 Wiring groove 39 Dummy wiring 40 Second layer wiring 41 Barrier insulating film 42 Air gap (air gap) )
43 Interlayer insulating film 44 Cap insulating film 45 Third layer wiring 46 Barrier insulating film 47 Via hole 48 Air gap (air gap)
50 Interlayer insulating film 51 Cap insulating film 52 Fourth layer wiring 53 Barrier insulating film EB: Electron beam Qn: n-channel type MISFET
Qp: p-channel type MISFET

Claims (20)

以下の工程を有する半導体装置の製造方法:
(a)半導体基板上の第1絶縁膜に複数の第1配線溝を形成する工程、
(b)前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部を含む前記第1絶縁膜上に銅を主成分とする第1導電膜を形成する工程、
(c)前記複数の第1配線溝の外部の前記第1導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部に前記第1導電膜からなる第1配線を形成する工程、
(d)前記(c)工程の後、前記第1絶縁膜を除去することによりそれぞれ前記半導体基板上に分離された前記第1配線を形成する工程、
(e)前記(d)工程の後、前記第1配線の上部および側部に、前記第1配線中に含まれる銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第2絶縁膜を、前記第2絶縁膜によって前記第1配線のスペース領域が充填されないような膜厚で形成する工程、
(f)前記第2絶縁膜の上部に、第3絶縁膜と前記第3絶縁膜よりも上層の第4絶縁膜とを含む第1層間絶縁膜を形成する工程、
(g)前記(e)工程または前記(f)工程で、前記第1配線のスペース領域に空隙を形成する工程、
(h)前記第1配線の上部の前記第3絶縁膜と前記第4絶縁膜とを貫通するビアホールを形成する工程、
(i)前記(h)工程の前または後に、前記第4絶縁膜の上部に形成したアルミナ膜をマスクにして、前記ビアホール形成領域を含む領域の前記第4絶縁膜をエッチングすることにより、前記4絶縁膜に複数の第2配線溝を形成する工程、
(j)前記アルミナ膜を除去した後、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部を含む前記第4絶縁膜上に銅を主成分とする第2導電膜を形成する工程、
(k)前記複数の第2配線溝の外部の前記第2導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部に前記第2導電膜からなる第2配線を形成する工程。
Manufacturing method of semiconductor device having the following steps:
(A) forming a plurality of first wiring grooves in the first insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first conductive film mainly composed of copper on the first insulating film including the inside of each of the plurality of first wiring grooves;
(C) removing the first conductive film outside the plurality of first wiring grooves by a chemical mechanical polishing method, thereby forming a first conductive film formed of the first conductive film inside each of the plurality of first wiring grooves. Forming one wiring;
(D) After the step (c), forming the first wirings separated on the semiconductor substrate by removing the first insulating film,
(E) After the step (d), a second insulating film having a function of suppressing or preventing diffusion of copper contained in the first wiring is formed on the upper and side portions of the first wiring. Forming with a film thickness such that the space region of the first wiring is not filled with an insulating film;
(F) forming a first interlayer insulating film including a third insulating film and a fourth insulating film above the third insulating film on the second insulating film;
(G) forming a void in the space region of the first wiring in the step (e) or the step (f);
(H) forming a via hole penetrating the third insulating film and the fourth insulating film above the first wiring;
(I) Before or after the step (h), using the alumina film formed on the fourth insulating film as a mask, etching the fourth insulating film in a region including the via hole forming region, thereby 4 forming a plurality of second wiring grooves in the insulating film;
(J) after removing the alumina film, forming a second conductive film containing copper as a main component on the fourth insulating film including the insides of the plurality of second wiring grooves and the via holes;
(K) The second conductive film outside the plurality of second wiring grooves is removed by a chemical mechanical polishing method, so that the second conductive film is formed inside each of the plurality of second wiring grooves and the via holes. Forming a second wiring comprising:
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記第1絶縁膜は、還元性プラズマを用いたエッチングによって除去されることを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulating film is removed by etching using reducing plasma. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記空隙は、前記第1配線のピッチが最小である領域に形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the gap is formed in a region where the pitch of the first wiring is minimum. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記空隙の上端は、前記第1配線の上面よりも上方に位置していることを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an upper end of the gap is located above an upper surface of the first wiring. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記空隙は、前記第1配線のスペース領域に前記第2絶縁膜が充填される前に、前記第1配線の側壁上部近傍で前記第2絶縁膜同士が接触することによって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating film is formed in the vicinity of an upper portion of a side wall of the first wiring before the second insulating film is filled in a space region of the first wiring. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the semiconductor device is formed by contacting each other. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記第4絶縁膜は、還元性プラズマによってエッチングされることを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the fourth insulating film is etched by reducing plasma. 請求項6記載の半導体装置の製造方法において、前記第4絶縁膜と前記アルミナ膜との間には、前記第4絶縁膜の酸化を抑制または防止する機能を有する第5絶縁膜が設けられることを特徴とする半導体装置の製造方法。   7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein a fifth insulating film having a function of suppressing or preventing oxidation of the fourth insulating film is provided between the fourth insulating film and the alumina film. A method of manufacturing a semiconductor device. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記ビアホールが前記第1配線を露出する領域における前記第1配線の幅を、他の領域における幅よりも広くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a width of the first wiring in a region where the via hole exposes the first wiring is made wider than a width in another region. Method. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記(c)工程で前記第1配線を形成する際、前記複数の第1配線溝の一部に、前記第1導電膜からなり、かつ配線としての機能を有しないダミー配線を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein when forming the first wiring in the step (c), the first conductive film is formed in a part of the plurality of first wiring trenches as wiring. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a dummy wiring having no function. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記(k)工程の後、
(l)前記第4絶縁膜を除去する工程、
(m)前記(l)工程の後、前記第2配線中に含まれる銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第6絶縁膜を、前記第6絶縁膜によって前記第2配線のスペース領域が充填されないような膜厚で形成する工程、
(n)前記第6絶縁膜の上部に第2層間絶縁膜を形成する工程、
(o)前記(m)工程または前記(n)工程で、前記第2配線のスペース領域に空隙を形成する工程、
をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein after the step (k),
(L) removing the fourth insulating film;
(M) After the step (l), a sixth insulating film having a function of suppressing or preventing diffusion of copper contained in the second wiring is formed so that a space region of the second wiring is formed by the sixth insulating film. A process of forming a film thickness not to be filled,
(N) forming a second interlayer insulating film on the sixth insulating film;
(O) forming a void in a space region of the second wiring in the step (m) or the step (n),
A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising:
請求項10記載の半導体装置の製造方法において、前記(o)工程の後、前記第2配線の上層の複数の配線層に、それぞれ複数の配線を形成する工程をさらに有し、前記複数の配線層のうち、少なくとも一部の配線層に形成される前記複数の配線のスペース領域には、前記空隙を形成しないことを特徴とする半導体装置の製造方法。   11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, further comprising a step of forming a plurality of wirings in a plurality of wiring layers above the second wiring after the step (o), respectively. A manufacturing method of a semiconductor device, wherein the gap is not formed in a space region of the plurality of wirings formed in at least a part of the wiring layer among the layers. 以下の工程を有する半導体装置の製造方法:
(a)半導体基板上の第1絶縁膜に複数の第1配線溝を形成する工程、
(b)前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部を含む前記第1絶縁膜上に銅を主成分とする第1導電膜を形成する工程、
(c)前記複数の第1配線溝の外部の前記第1導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部に前記第1導電膜からなる第1配線を形成する工程、
(d)前記(a)工程と前記(b)との間、または前記(c)工程の後、前記第1配線と後の工程で形成される第2配線とを接続するビアホールの下部領域およびその周辺領域の前記第1絶縁膜にエネルギービームを照射することによって、前記エネルギービームが照射された領域の前記第1絶縁膜を変質させる工程、
(e)前記(d)工程の後、前記エネルギービームが照射された領域以外の領域の前記第1絶縁膜を除去し、前記変質させた第1絶縁膜を残す工程、
(f)前記(e)工程の後、前記第1配線の上部および側部に、前記第1配線中に含まれる銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第2絶縁膜を、前記第2絶縁膜によって前記第1配線のスペース領域が充填されないような膜厚で形成する工程、
(g)前記第2絶縁膜の上部に、第3絶縁膜と前記第3絶縁膜よりも上層の第4絶縁膜とを含む第1層間絶縁膜を形成する工程、
(h)前記(f)工程または前記(g)工程で、前記第1配線のスペース領域に空隙を形成する工程、
(i)前記第1配線の上部の前記第3絶縁膜と前記第4絶縁膜とを貫通する前記ビアホールを形成する工程、
(j)前記(i)工程の前または後に、前記第4絶縁膜の上部に形成したアルミナ膜をマスクにして、前記ビアホール形成領域を含む領域の前記第4絶縁膜をエッチングすることにより、前記4絶縁膜に複数の第2配線溝を形成する工程、
(k)前記アルミナ膜を除去した後、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部を含む前記第4絶縁膜上に銅を主成分とする第2導電膜を形成する工程、
(l)前記複数の第2配線溝の外部の前記第2導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部に前記第2導電膜からなる第2配線を形成する工程。
Manufacturing method of semiconductor device having the following steps:
(A) forming a plurality of first wiring grooves in the first insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first conductive film mainly composed of copper on the first insulating film including the inside of each of the plurality of first wiring grooves;
(C) removing the first conductive film outside the plurality of first wiring grooves by a chemical mechanical polishing method, thereby forming a first conductive film formed of the first conductive film inside each of the plurality of first wiring grooves. Forming one wiring;
(D) Between the step (a) and the step (b), or after the step (c), a lower region of a via hole that connects the first wiring and the second wiring formed in the subsequent step; Irradiating the first insulating film in the peripheral region with an energy beam to alter the first insulating film in the region irradiated with the energy beam;
(E) After the step (d), removing the first insulating film in a region other than the region irradiated with the energy beam, and leaving the altered first insulating film;
(F) After the step (e), a second insulating film having a function of suppressing or preventing diffusion of copper contained in the first wiring is formed on the upper and side portions of the first wiring. Forming with a film thickness such that the space region of the first wiring is not filled with an insulating film;
(G) forming a first interlayer insulating film including a third insulating film and a fourth insulating film above the third insulating film on the second insulating film;
(H) forming a void in the space region of the first wiring in the step (f) or the step (g);
(I) forming the via hole penetrating the third insulating film and the fourth insulating film above the first wiring;
(J) Before or after the step (i), using the alumina film formed on the fourth insulating film as a mask, etching the fourth insulating film in a region including the via hole forming region, thereby 4 forming a plurality of second wiring grooves in the insulating film;
(K) After removing the alumina film, forming a second conductive film mainly composed of copper on the fourth insulating film including each of the plurality of second wiring grooves and the via holes;
(L) The second conductive film outside the plurality of second wiring grooves is removed by a chemical mechanical polishing method, whereby the second conductive film is formed inside each of the plurality of second wiring grooves and the via holes. Forming a second wiring comprising:
請求項12記載の半導体装置の製造方法において、前記エネルギービームは、電子ビームであることを特徴とする半導体装置の製造方法。   13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the energy beam is an electron beam. 請求項12記載の半導体装置の製造方法において、前記第1絶縁膜および前記第4絶縁膜は、還元性プラズマを用いたエッチングによって除去されることを特徴とする半導体装置の製造方法。   13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the first insulating film and the fourth insulating film are removed by etching using reducing plasma. 請求項14記載の半導体装置の製造方法において、前記第4絶縁膜と前記アルミナ膜との間には、前記第4絶縁膜の酸化を抑制または防止する機能を有する第5絶縁膜が設けられることを特徴とする半導体装置の製造方法。   15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein a fifth insulating film having a function of suppressing or preventing oxidation of the fourth insulating film is provided between the fourth insulating film and the alumina film. A method of manufacturing a semiconductor device. 以下の工程を有する半導体装置の製造方法:
(a)半導体基板上の第1絶縁膜に複数の第1配線溝を形成する工程、
(b)前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部を含む前記第1絶縁膜上に銅を主成分とする第1導電膜を形成する工程、
(c)前記複数の第1配線溝の外部の前記第1導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第1配線溝のそれぞれの内部に前記第1導電膜からなる第1配線を形成する工程、
(d)前記(c)工程の後、前記第1絶縁膜を除去する工程、
(e)前記(d)工程の後、前記第1配線の上面および側部に、前記第1配線中に含まれる銅の拡散を抑制または防止する機能を有する第2導電膜を形成する工程、
(f)前記第1配線の上部に第3絶縁膜と前記第3絶縁膜よりも上層の第4絶縁膜とを含む第1層間絶縁膜を形成し、前記第1配線のスペース領域に空隙を形成する工程、
(g)前記第1配線の上部の前記第3絶縁膜と前記第4絶縁膜とを貫通するビアホールを形成する工程、
(h)前記(g)工程の前または後に、前記第4絶縁膜の上部に形成したアルミナ膜をマスクにして、前記ビアホール形成領域を含む領域の前記第4絶縁膜をエッチングすることにより、前記4絶縁膜に複数の第2配線溝を形成する工程、
(i)前記アルミナ膜を除去した後、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部を含む前記第4絶縁膜上に銅を主成分とする第2導電膜を形成する工程、
(j)前記複数の第2配線溝の外部の前記第2導電膜を化学的機械研磨法で除去することによって、前記複数の第2配線溝および前記ビアホールのそれぞれの内部に前記第2導電膜からなる第2配線を形成する工程。
Manufacturing method of semiconductor device having the following steps:
(A) forming a plurality of first wiring grooves in the first insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first conductive film mainly composed of copper on the first insulating film including the inside of each of the plurality of first wiring grooves;
(C) removing the first conductive film outside the plurality of first wiring grooves by a chemical mechanical polishing method, thereby forming a first conductive film formed of the first conductive film inside each of the plurality of first wiring grooves. Forming one wiring;
(D) a step of removing the first insulating film after the step (c);
(E) After the step (d), forming a second conductive film having a function of suppressing or preventing diffusion of copper contained in the first wiring on the upper surface and the side portion of the first wiring;
(F) forming a first interlayer insulating film including a third insulating film and a fourth insulating film above the third insulating film on the first wiring, and forming a void in a space region of the first wiring; Forming step,
(G) forming a via hole penetrating the third insulating film and the fourth insulating film above the first wiring;
(H) Before or after the step (g), using the alumina film formed on the fourth insulating film as a mask, etching the fourth insulating film in a region including the via hole forming region, thereby 4 forming a plurality of second wiring grooves in the insulating film;
(I) after removing the alumina film, forming a second conductive film containing copper as a main component on the fourth insulating film including each of the plurality of second wiring grooves and the via holes;
(J) The second conductive film outside the plurality of second wiring grooves is removed by a chemical mechanical polishing method, whereby the second conductive film is formed inside each of the plurality of second wiring grooves and the via holes. Forming a second wiring comprising:
請求項16記載の半導体装置の製造方法において、前記第1配線の断面形状を、上端部の幅が底部の幅よりも広い逆テーパにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。   17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein the cross-sectional shape of the first wiring is an inverse taper in which the width of the upper end is wider than the width of the bottom. 請求項16記載の半導体装置の製造方法において、前記第2導電膜は、選択タングステンCVD法で形成したW膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。   17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein the second conductive film is a W film formed by a selective tungsten CVD method. 請求項16記載の半導体装置の製造方法において、前記第1絶縁膜および前記第4絶縁膜は、還元性プラズマを用いたエッチングによって除去されることを特徴とする半導体装置の製造方法。   17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein the first insulating film and the fourth insulating film are removed by etching using reducing plasma. 請求項19記載の半導体装置の製造方法において、前記第4絶縁膜と前記アルミナ膜との間には、前記第4絶縁膜の酸化を抑制または防止する機能を有する第5絶縁膜が設けられることを特徴とする半導体装置の製造方法。   20. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 19, wherein a fifth insulating film having a function of suppressing or preventing oxidation of the fourth insulating film is provided between the fourth insulating film and the alumina film. A method of manufacturing a semiconductor device.
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